《上海光源与故宫博物院合作研究取得系列进展》

  • 来源专题:中国科学院亮点监测
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2018-10-15
  •         近期,上海光源与故宫博物院联合开展的文物研究工作取得了一系列重要成果。

            8月13日,《科技日报》头版报道了该团队在清乾隆时期紫金釉中发现高纯相、大粒径ε-Fe2O3晶体的研究成果。该项研究成果由上海光源与故宫博物院合作完成。研究发现,在故宫出土的清乾隆时期紫金釉中布满了大粒径、高纯度的亚稳相ε-Fe2O3晶体。其大小及分布均匀、发育良好,且釉层呈现清晰的多层结构特征。紫金釉属于中国古代高温瓷器,其图案精美、质感晶莹,风靡世界。瓷釉独特的质感和色调源自于釉层特殊的微观结构,即矿物原料在烧制过程中经过复杂的物理化学变化形成的物相结构。研究其结构特征,对于揭示其产地来源、原料选择、烧制工艺以及古代材料学的研究具有重要的科学价值。之前,有研究机构曾发现,宋代建窑遗址出土的瓷釉中也存在稀有的亚稳相ε-Fe2O3晶体。ε-Fe2O3晶体具有优异的电磁响应性能。自1934年首次发现这种特殊晶体以来,制备大粒径纯相的ε-Fe2O3晶体一直都是现代材料科学的一个难题。高铁瓷釉中不断发现的ε-Fe2O3晶体,显示了中国古代陶瓷工艺技术的精良可控以及传承与进步,对于现代材料的制备也有重要的借鉴价值。该研究工作发表在《美国陶瓷学会会刊》(J Am Ceram Soc. 2018; doi.org/10.1111/jace.15759)。

            玻璃珠是古代便于携带的装饰物,它承载了不同地域、时代的工艺特点等信息,对它的研究,有助于了解古代不同区域物质文化交流。在古丝绸之路与新疆省山普拉墓地遗址玻璃珠制作工艺研究中,研究人员利用高分辨显微CT显示了玻璃珠内部的三维结构,尤其是气孔三维结构,为揭示玻璃珠的制作工艺提供了直接的证据。同时结合化学组分分析,可以推测玻璃珠的来源产地及大致生产时期。该研究为古丝绸之路贸易和文化的研究提供了新的依据。该研究工作发表在《考古学与人类学》杂志(Archaeol Anthropol Sci 2017,doi.org/10.1007/s12520-017-0582-6)。

            传统建筑彩画的科学分析主要采用光学显微镜进行材质分析,但有一定的局限性。而红外谱学显微技术可以更准确地提供无机和有机组分的面分布信息。在故宫东华门清代天花制作原料及工艺的研究中,研究人员利用同步辐射红外谱学显微成像等技术,证实清代早期天花使用的材料与中国卷轴画相似,清代晚期天花由石膏、方解石和白铅所组成的预备层代替了蚕丝层,不同时期的天花使用了不同的材料和制作工艺。该研究工作收录在2017纽约建筑彩绘研究国际会议论文集中(Macro to Micro: Examining Architectural Finishes, ISBN: 9781909492608, London: Archetype, 2018.)。

            上海光源和故宫博物院的合作历史,最早可以追溯到上海光源运行开放初期。2016年12月上海光源与故宫博物院签署合作协议,同时成立上海光源-故宫博物院联合实验室。近年来,在双方单位的大力支持下,双方科研人员紧密配合,合作研究工作全面深入展开,研究成果不断产出。

            以上工作得到了上海大科学中心高端用户研究课题、上海光源重点用户课题、国家自然科学基金及大装置联合基金的支持,主要实验工作在BL14W、BL14B、BL13W、BL01B、BL15U等线站完成。

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    •         近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所功能材料研究室在透明导电氧化物(transparent conducting oxide, TCO)薄膜研究方面取得系列进展,相关成果相继在Advanced Electronic Materials (Adv. Electron. Mater. 4, 1700476 (2018)),Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C 5, 1885 (2017)),Chemical Communications (Chem. Commun. 50, 9697 (2014))等杂志上发表。   一般而言,材料的透明特性和导电性互不兼容。自然界中透明的物质(如玻璃)往往不导电,导电的物质(如金属)往往不透明。实现透明性和导电性共存的主要措施是选择宽禁带半导体或绝缘体以确保可见光区的高透明性,再通过元素掺杂来引入载流子以实现导电性。按照该方法可实现具有高可见光区透明性和良好导电性共存的一类非常重要的材料体系即TCO。迄今,TCO薄膜已广泛应用于平板显示、太阳能光伏电池、触摸屏和发光二极管等领域。   TCO材料根据导电载流子的类型分为n型即电子导电型和p型即空穴导电型。在n型TCO方面,近来有相关报道表明,宽带隙钙钛矿BaSnO3基TCO表现出很高的室温载流子迁移率,因而有望取代广泛应用的锡掺杂氧化铟(In2O3:Sn, ITO)成为下一代TCO材料。固体所研究人员基于溶液法制备出了钙钛矿BaSnO3薄膜,经La元素掺杂及薄膜位错密度调控,获得了具有与真空法制备的BaSnO3薄膜相比拟的室温载流子迁移率(~23 cm2/Vs),且可见光透过率超过80%,并提出氧空位是决定该体系载流子迁移率的重要调控因素。相关结果发表于Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 106, 101906 (2015))。进一步,科研人员通过在Sn位Sb掺杂提高了薄膜的载流子浓度,实现了薄膜电导率的大幅提升,构建了BaSnO3基薄膜溶液法生长机理与光电性能的关联。相关结果发表于ACS Applied Energy Materials (ACS Appl. Energy Mater. 1, 1585 (2018))。   与n型TCO相比,p型材料的性能和应用远落后于n型材料体系。这源于金属氧化物的电子结构与能带结构:金属氧化物中的金属原子与氧原子以离子键结合,氧的2p能级远低于金属的价带电子能级。由于氧离子具有很强的电负性,对价带顶的空穴具有很强的局域化束缚作用,从而即使在价带顶引入空穴,也将形成深受主能级,导致空穴载流子很难在材料中移动。理论设计已表明在铜铁矿体系中可获得透明和p型导电共存。而Ag基和Cu基铜铁矿相比较而言,具有更宽的光学带隙及更低的光吸收系数。但由于Ag2O易于分解,导致Ag基铜铁矿无法在开放系统中成功制备。固体所研究人员基于溶液法首次在开放系统中成功制备了Ag基p型铜铁矿AgCrO2薄膜。该薄膜表现出(00l)晶面自组装生长特征,且表现出较高的室温电导率及可见光透过率。相关结果发表于Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C 5, 1885 (2017)),并被选为封面及2017年度热点文章。   此外,研究人员基于电子-电子关联作用可有效调节材料的能带结构和电子结构,设计并制备了两种新型p型TCO薄膜。采用溶液法制备了强关联Bi2Sr2Co2Oy薄膜,该薄膜表现出优良的p型透明导电特征,室温电导率超过222 S/cm,可见光区透过率超过50%。相关结果发表于Chemical Communications (Chem. Commun. 50, 9697 (2014))。采用脉冲激光沉积制备了一种新型p型透明导电氧化物薄膜材料——钙钛矿结构La2/3Sr1/3VO3。在该薄膜材料中实现了导电性和光学透过率的良好平衡,获得了截至目前最高的透明导电优值。相关结果发表于Advanced Electronic Materials (Adv. Electron. Mater. 4, 1700476 (2018)),并被选为卷首插页。