高气压MPCVD沉积金刚石的光谱研究

采用微波等离子体化学气相沉积方法(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)在高沉积气压(34.5 kPa)下制备多晶金刚石,利用发射光谱(optical emission spectroscopy, OES)在线诊断了CH₄/H₂/O₂等离子体内基团的谱线强度及其空间分布,并利用拉曼(Raman)光谱评价了不同O₂体积分数下沉积出的金刚石膜质量,研究了金刚石膜质量的均匀性分布问题。结果表明：随着O₂体积分数的增加,C₂, CH及H_α基团的谱线强度均呈下降的趋势,而C₂,CH与H_α谱线强度比值也随之下降,表明增加O₂体积分数不仅导致等离子体中碳源基团的绝对浓度下降,而且碳源基团相对于氢原子的相对浓度也降低,使得金刚石的沉积速率下降而沉积质量提高。此外,具有刻蚀作用的OH基团的谱线强度却随着O₂体积分数的增加而上升,这也有利于降低金刚石膜中非晶碳的含量。光谱空间诊断发现高沉积气压下等离子体内基团分布不均匀,特别是中心区域C₂基团聚集造成该区域内非晶碳含量增加,最终导致金刚石膜质量分布的不均匀。     

热丝CVD沉积金刚石薄膜时的等离子体空间分布研究

采用热丝化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)的方法,以丙酮为碳源生长金刚石薄膜时,利用等离子体发射光谱对生长过程中的等离子体空间分布进行了在线诊断。采用SEM,Raman光谱分别对沉积金刚石膜表面、断面的形貌和质量进行表征。光谱分析表明,对于线性阵列布丝情况下,中心区域与边缘区域的基团分布存在差异,中心区温度高,裂解能力强,基团强度高于两边,但中心区域基团特征峰强度的变化比等离子球平缓的多;距离热丝越远,热辐射减小,从丙酮分子中裂解出CH和CO等基团以及由原子H激发的H_β与H_α等强度降低,反而使得复合生成的C₂基团增加。SEM测试结果表明,当丝基间距为4.5,5.5,6.5 mm时,所沉积的金刚石薄膜表面由致密规则晶面向混乱转变,且单位时间内的生长速率也依次降低,此外,Raman光谱表明随着纵向间距的加大,金刚石薄膜的质量随之降低。这与诊断结果中CH和CO强度的降低,C₂基团强度增加及基团C₂/H_α比强度下降相吻合。     

MPCVD等离子体的发射光谱研究

在2.45 GHz, 800 W微波等离子体化学气相沉积装置上,利用发射光谱对CH₄/H₂等离子体进行在线诊断,分析了等离子体中存在的基团,研究了甲烷浓度对各基团浓度及基团的空间分布的影响。结果表明：等离子体中存在CH, H_α, H_β, H_γ, C₂ 基团和Mo杂质原子,随着甲烷浓度的升高,各基团的发射光谱强度均有增加,其中C₂基团强度显著增加。CH与H_α基团的发射光谱强度比值随甲烷浓度的增加变化不大,而C₂与H_α基团的发射光谱强度的比值随甲烷浓度的增加而显著增大。另外,甲烷浓度的增加使得等离子体中各基团在空间分布的均匀性变差。     

惰性气体对HFCVD沉积金刚石气相基团的影响

发射光谱法是对等离子进行在线诊断的常用方法。在丙酮/H_2、丙酮/H_2/He和丙酮/H_2/Ar三种体系中,对热丝化学气相沉积金刚石薄膜过程中的等离子体进行了在线测量。研究了不同体积分数的惰性气体对等离子体中各活性基团强度的影响,以及CH,Hβ与C_2的相对强度的比值、电子温度的大小随惰性气体体积分数的变化关系。结果表明,各基团的强度随着惰性气体体积分数的增加呈现上升趋势,且加入同体积分数的氩气比加入氦气的影响更大;CH,Hβ与C_2的相对强度比值、电子温度随着惰性气体体积分数的增加而呈现下降趋势,且在丙酮/H_2/Ar体系中要比丙酮/H_2/He体系中小。     

室温下基于微等离子体放电发射光谱法检测甲烷

建立了一套针板电极交流放电微等离子发生装置,以氮气作为载气,甲烷为分析气体,放电电压为1.32 kV, 放电距离为3 mm, Pt丝和Pt/MWNT复合纳米粒子修饰FTO电极为放电电极,放电频率为30 kHz,功率消耗为13 W,利用发射光谱法检测放电过程中产生的微等离子体发射光谱,用于在室温下检测甲烷气体。在交流电压下,检测到甲烷的谱线有CH,C₂和H_α,以C₂谱线作为甲烷分析线,发现C₂谱线强度与甲烷浓度在0.5%～4.0%(φ)的范围内呈线性,检出限(S/N=3)为0.19%。以H_α谱线为分析线,H_α谱线强度与甲烷浓度在0.1%～3.0 %(φ)范围内呈线性, 检测限(S /N=3)为0.03%(φ)。对于3.2%的甲烷气体,平行测定11次,在Pt/MWNT/FTO电极上以C₂谱线为分析线和以H_α谱线为分析线的相对标准偏差分别为 1.3%和1.9%。说明Pt/MWNT 纳米复合材料修饰电极提高了分析方法的重现性和精密度。以空气混合气体为稀释气体,甲烷气体放电行为与纯氮气中放电行为有较大差异,C₂峰消失,只有H_α峰存在。H_α峰强度与甲烷浓度在0.5%～4%范围内有线性相关性。与其他的光发射光谱检测系统相比,该系统装置尺寸小,制备简单且在室温下操作。     

离子液体在甲烷等离子体转化中作用机理的光谱研究

在直流等离子体甲烷转化反应体系中分别引入C₆MIMBF₄,C₆MIMCF₃COO,C₆MIMHSO₄三种离子液体,采用光谱在线技术检测反应中活性物种的种类和光谱谱峰相对强度的变化,研究了离子液体在气液等离子体甲烷转化反应中的作用机理。结果表明：向甲烷等离子体体系中引入离子液体可得到稳定的气液界面,并提高了甲烷转化率和C₂烃产物收率,C₆MIMCF₃COO和C₆MIMBF₄有助于提高C₂烃选择性,而C₆MIMHSO₄则导致C₂烃选择性下降。在气液等离子体甲烷放电体系中检测到了C,C₂,C₃,CH,H等活性物种的发射光谱,与未引入离子液体时相比大多数活性物种的谱线强度均有增加。核磁共振研究表明反应后离子液体C₆MIMBF₄结构稳定,可认为离子液体作为液体导电介质提高了等离子体放电强度,促进等离子体区气相反应过程,同时离子液体在气液表面反应过程起催化作用。     

甲烷电离特性的等离子体发射光谱法研究

应用等离子体发射光谱法,用CCD(charge coupled device)光栅光谱仪记录并标识了脉冲电晕甲烷等离子体370～1 100 nm的发射光谱,确定了常温常压下高纯甲烷(99.99%)经100 kV, 100 Hz脉冲高压电离后的产物为H,C+,CH,C,C₂,C₃, C₄,C₅和烃等。通过分析实验检测到的甲烷等离子体发射光谱,给出了甲烷经脉冲高压电离形成电晕等离子体的机理和自由基CH_n(n=3,2,1)、碳、烃等产物的电离途径。结果显示甲烷分子经高能电子非弹性碰撞后脱氢程度很高,大量氢原子及其离子和甲烷自由基在进一步被高能电子作用下合成了烯烃、炔烃、烷烃和高聚碳化物。实验所获得的脉冲甲烷等离子体发射光谱及其机理分析可为甲烷及其转化研究提供相关依据。     

铽与两种不同结构羧酸配合物的低温固相合成及发光性质研究

以两种不同结构的羧酸苯乙酸和苯基羟基乙酸与氯化铽为原料,采用低温固相反应合成了两种羧酸铽配合物。经元素分析、稀土络合滴定、摩尔电导确定了配合物的组成为： Tb(L₁)₃·H₂O,Tb(L₂)₃·4H₂O(L₁= C₆H₅ CH COO- ,L₂=C₆H₅CH(OH)COO-)。测定了配体及配合物的IR谱、1H NMR及配体的磷光光谱和铽配合物荧光激发和发射光谱。根据磷光发射光谱数据计算了配体的三重态能级值。比较两个配合物的荧光发射主峰5D₄→7F₅强度： 苯基羟基乙酸铽为苯乙酸铽的5倍。由此可见在配体亚甲基上引入拉电子基团羟基,将会扩大共轭体系π电子的离域范围,提高能量传递效率,提高稀土离子的发光强度。     

CVD法SiC纤维表面碳涂层结构的拉曼光谱研究

采用激光拉曼光谱仪和扫描电子显微镜对以C₂H₂+H₂和C₂H₂+C₃H₈+Ar为反应气体,通过直流加热化学气相沉积工艺在SiC纤维表面制备的碳涂层的微观结构及断口形貌进行了研究。结果表明,两种碳涂层的拉曼光谱中1 350,1 400～1 500和1 600 cm-1附近均观察到D,D”和G特征峰的存在。碳涂层具有类似石墨的片层结构,结构中微晶的排列显示出一定的无序性,并含有少量非晶态碳。随着沉积温度的升高,微晶尺寸有所增加,结构中的均匀性和有序度也得到改善。断口观察发现,采用C₂H₂+H₂制备的碳涂层平整、致密;而由C₂H₂+C₃H₈+Ar得到的碳涂层呈曲折的层片状。分析表明,这主要与结构中的有序度和均匀性有关。     

含氮氟化类金刚石(FN-DLC)薄膜的研究：(Ⅰ) sp结构与化学键分析

以CF₄，CH₄和N₂为源气体，利用射频等离子体增强化学气相沉积法，在不同功率下制备了含氮氟化类金刚石膜.用俄歇电子能谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱对薄膜的电子结构和化学键进行了表征，并结合高斯分峰拟合方法分析了薄膜中sp²，sp³结构比率.结果表明，制备的薄膜属于类金刚石结构，不同沉积功率下，薄膜内的sp²/sp³值在2.0—9.0之间，随着沉积功率的增加薄膜内sp²的相对含量增加.膜内主要有C—F_x(x=1，2)，C—C，C=C和C≡N等化学键.沉积功率增加，C—C基团增加，膜内F的浓度降低，C—F基团减少，薄膜的关联加强，稳定性提高. 关键词： 含氮氟化类金刚石膜 sp结构 化学键结构 射频功率     

通孔阳极氧化铝膜的制备及其性能的研究

在15% H₂SO₄阳极氧化液中添加硝酸镨制备阳极氧化铝(AAO)膜以提高AAO膜的性能,采用化学腐蚀和微波处理相结合的方法,去除AAO膜的阻挡层,制备通孔的AAO膜。分别研究镨的添加量、氧化电压对AAO膜的厚度和硬度的影响及腐蚀时间、微波处理时间分别对AAO膜的阻挡层的影响,分别用能谱和扫描电镜等对AAO膜进行了表征。在15% H₂SO₄阳极氧化液中添加硝酸镨,制备出的AAO膜具有更大的厚度和硬度,当氧化电压为23 V时,在15% H₂SO₄+0.14 Pr g·L-1混合液中制备的AAO膜的厚度和硬度分别为162 μm和275.1 HV,与在阳极氧化液为15% H₂SO₄溶液中制备的AAO膜的厚度和硬度(150 μm和224.8 HV)相比,分别提高8.0%和22.4%。当氧化电压在19～23 V范围时,AAO膜的厚度随着氧化电压的增大而增加;AAO膜的硬度随着氧化电压的增大而减小。将AAO膜在35 ℃和5% H₃PO₄溶液中腐蚀13 min,再用超声波处理10 min,可得到通孔的AAO膜。腐蚀后AAO膜表面絮状物为Al₂O₃。     

参数寻优支持向量机在基于光声光谱法的变压器故障诊断中的应用

为了解决变压器气相色谱分析法故障诊断中存在的操作繁琐、消耗待测气体和载气、检测周期长等缺点,提出了利用光声光谱技术检测变压器油中CH₄,C₂H₂,C₂H₄,C₂H₆,H₂五种特征气体的含量并计算C₂H₂/C₂H₄,CH₄/H₂,C₂H₄/C₂H₆三对比值数据。将五种SVM类型和四种核函数采用交叉组合建立20种不同的支持向量机模型,并采用启发式算法对于惩罚因子c和g的取值进行参数寻优,以建立变压器故障诊断准确率最高、最快运行速度的支持向量机模型。启发式算法主要对比研究了粒子群算法和遗传算法在寻优精度与速度上的效果。仿真实验结果表明C-SVC模型、RBF核函数、遗传算法寻优构成的支持向量机模型对变压器故障的诊断准确率最高,测试集达到97.5%,训练集达到98.333 3%,并且遗传算法的寻优速度快于粒子群算法2倍左右。该方法具有操作简单、非接触性测量、不消耗载气、检测周期短、稳定性和灵敏度高等优点。可以代替传统的气相色谱分析法进行变压器故障诊断,满足变压器故障诊断的实际工程需要。     

团簇离子在固体中能损的非线性效应

研究了每核子能量为 2 6 0— 4 5 0keV的H₊2,H₊3,H₊4 H₊5和H₊7团簇离子在金膜中的能损 .发现团簇离子中平均每个质子的能损大于相同速度的单质子能损 ,即能损比大于 1,且随团簇离子的大小和速度的增加而增加. The energy losses of cluster ions H₊2,H₊3,H₊4 H₊5 and H₊7with energy of 260-450 keV/p in solid films have been measured. It has been found that the energy loss per proton in clusters is larger than that of single proton with the same velocity as clusters, that is, the energy ratio is larger than 1. Energy ratio increases with increasing the cluster size and velocity.     

电子助进化学气相沉积金刚石中发射光谱的空间分布

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂为源料气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石中的氢原子(H_α,H_β,H_γ)、碳原子C(2p3s→2p2：λ=165.7 nm)以及CH(A2Δ→X2Π：λ＝420～440 nm)的发射过程进行了模拟,研究了不同CH₄浓度下各发射谱线的空间分布。结果表明,不同CH₄浓度下各发射谱线在反应空间的大部分区域内均随距灯丝距离的增大而增大,而当到达基片表面附近时有所减弱。随着CH₄浓度的增加,H谱线强度减弱,CH与C谱线强度增强。     

低速高电荷态重离子在C_(60)薄膜中引起的势效应研究

为了研究低速高电荷态离子在C60薄膜中引起的势效应,用能量为200keV的高电荷态Xen+(n=3,10,13,15,17,20,22,23)离子辐照了C60薄膜。用原子力显微镜(AFM)和Raman散射技术分析了辐照过程中高电荷态Xen+离子所储存势能在C60薄膜中引起的效应,即势效应。AFM分析结果表明,辐照C60薄膜的表面粗糙度随辐照Xen+离子电荷态(即势能)的增加而减小,揭示了势效应的存在。而Raman分析结果表明,由于Xe离子的动能远大于其所储存的势能,因此,尽管有表面势效应的影响,但在Raman分析的深度范围内,弹性碰撞还是主导了C60薄膜的损伤过程。     

氮气氛下(100)织构金刚石薄膜的成核与生长研究

利用热丝化学气相沉积法研究了氮气浓度对金刚石薄膜成核和生长的影响.实验发现氮气的 加入对金刚石成核密度影响不大,但促进了已形成的金刚石核的长大.适量的氮气不仅使金 刚石生长速率得到很大的提高,而且稳定了金刚石薄膜(100)面的生长,使金刚石薄膜具有 更好的(100)织构.利用原位光发射谱对衬底附近的化学基团进行了研究.研究表明,氮气的 引入使得金刚石生长的气相化学和表面化学性质发生了很大变化.含氮基团的萃取作用提高 了金刚石表面氢原子的脱附速率,从而提高了金刚石膜的生长速率.而含氮基团的选择吸附 使金刚石 关键词： 氮气 金刚石薄膜 织构 原位光发射谱