PZT铁电薄膜底电极制备工艺的研究

利用磁控溅射方法在Si(001)基片上制备Ti/Pt底电极,其厚度大概分别为20、100 nm,其中Ti电极作为缓冲层,随后在上面溅射PZT铁电薄膜.研究了不同电极的制备工艺对电极形貌、取向以及对PZT铁电薄膜的制备带来的影响.结果表明,底电极的溅射温度以及退火温度对于底电极起着至关重要的作用,同时具有良好(111)取向的、致密性较好的底电极对于PZT铁电薄膜的生长具有重要的影响.     

Pt(111) 表面上表层 Fe (FeO) 结构和次表层 Fe 结构的可控转变

 利用扫描隧道显微镜 (STM) 和 X 射线光电子能谱 (XPS) 对 Pt(111) 表面制备的 Fe 单层薄膜及其在不同环境气氛条件下的多种结构进行了研究. 在温度为 487 K 的 Pt(111) 表面制备出了完整的 Fe 单层薄膜Fe/Pt(111). 对 Fe/Pt(111) 依次升高温度进行超高真空退火, STM 和 XPS 结果表明退火温度高于 800 K 时, 表面 Fe 原子扩散到次表层区域, 形成次表层 Fe 结构Pt/Fe/Pt(111). Pt/Fe/Pt(111) 在 O2 氧化气氛中经 850 K 退火可转变成表面 FeO 薄膜FeO/Pt(111). FeO/Pt(111) 结构在温和的 H2 还原气氛中 (600 K) 转变成表面 Fe 结构, 进一步的还原处理 (800 K) 则可以重新生成 Pt/Fe/Pt(111). 控制样品的环境气氛在 O2 和 H2 之间切换, 使得表面 Fe (FeO) 和次表面 Fe 可以重复地转变. 本研究实现了多种 Fe-Pt 表面结构的可控制备, 可为合理地设计高效、价廉的催化剂提供借鉴.     

CeO2(111)和CeO2(100)的界面调控合成及在Pt(111)上的结构转变

氧化铈基催化材料在催化反应中存在显著的晶面效应,为了在分子尺度上理解其催化化学,需要可控合成具有明确表面结构的氧化铈.因此,我们研究了Pt(111)上氧化铈纳米结构和薄膜的生长.人们通常使用金属-氧化物之间的强相互作用来解释Pt/CeO_x催化剂上的催化过程,然而对于Pt与CeO_x之间的强相互作用仍旧缺乏原子尺度上的了解.我们的结果表明, Pt与氧化铈之间的相互作用可以影响氧化铈的表界面结构,这可能会进而影响Pt/CeO_x催化剂的性质.在Pt(111)上生长的氧化铈薄膜通常暴露CeO_2(111)表面.我们发现Pt(111)表面厚度在三层以内的氧化铈薄膜,其结构是高度动态且随着退火温度升高而变化的,这种动态结构变化可归因于Pt和氧化铈间的界面电子作用.当氧化铈薄膜的厚度增大到三层以上,其负载的氧化铈团簇开始表现出迥异于三层以下氧化铈纳米岛的优异的热稳定性,表明Pt与CeO_x之间的界面电子作用主要影响厚度在三层以内的氧化铈纳米结构.采用常规的反应沉积方法难以获得完全覆盖Pt(111)衬底的规整氧化铈薄膜,而我们通过采取一种两步的动力学限制生长方法,制备出了完全覆盖Pt(111)衬底的氧化铈薄膜.对于Pt(111)上厚度约为3-4层的氧化铈薄膜,在超高真空中于1000 K退火会导致氧化铈薄膜表面形成CeO_2(100)结构.这是因为高温还原促进了c-Ce_2O_3(100)缓冲层的形成,该缓冲层被Pt的界面电子转移以及相匹配的超晶格所稳定,并进一步成为顶层CeO_2(100)结构生长的模板.进一步在900 K的氧气中处理则可将薄膜CeO_2(100)表面完全转变为CeO_2(111)表面.因此, Pt(111)上氧化铈纳米岛和薄膜所展现的结构动态变化是由Pt-CeO_x界面作用与氧化铈层间作用相互竞争所决定.本研究提供了对氧化铈负载Pt催化剂的原子级理解,虽然Pt/CeO_2催化剂活性增强的原因常被简单归结于界面强相互作用,我们的研究在原子尺度上进一步表明Pt/CeO_2在还原条件下易形成界面Ce_2O_3层.此外,本研究提供了不同晶面二氧化铈模型催化剂的构筑方法,可将对氧化铈晶面效应和Pt/CeO_x催化剂的研究推进到分子尺度.     

应力对退火态Sm-Fe-BGMF磁学性能的影响

利用离子束溅射(IBSD)法,在盖玻片衬底上制备Sm-Fe-B超磁致伸缩薄膜(GMF)样品;并在退火过程中对其施加预应力,研究应力对退火态Sm-Fe-B薄膜磁畴结构、软磁性能及磁致伸缩性能的影响并分析其差异产生的原因。结果表明:退火过程中施加预应力能使薄膜磁畴结构发生显著变化,通过改善退火态薄膜的微结构与应力状态,能有效提高薄膜的软磁性能与磁致伸缩性能;与自由退火态样品比较,应力退火态样品具有较明显的垂直各向异性,虽然在低场磁敏性方面略有降低,但是在饱和磁致伸缩性能方面有较大提高。     

二维多层PtRu/PtNd纳米薄膜的结构效应及电催化氧化活性

采用离子束多靶溅射技术控制膜层结构制备出二维多层PtRu/PtNd纳米合金薄膜作为微型直接甲醇燃料电池(DMFCs)阳极催化电极材料. 应用X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、掠入射X射线衍射(GIXD)研究了薄膜表面的化学状态、形貌以及薄膜表层、次表层和体相的结构,并用CO-stripping伏安法、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、计时电流法(CA)等电化学方法测试薄膜催化剂的电化学活性比表面积及其对甲醇的电催化氧化. 结果表明, 多次交替沉积制备的PtRu/PtNd薄膜, 由于溅射产生的Pt+、Ru+和Pt+、Nd+之间的相互作用, 使薄膜表面的化学状态和膜层结构发生变化, 其衍射谱峰呈现异常宽化, Pt与Nd之间产生电子转移, 证实了PtRu/PtNd纳米合金薄膜是一种具有特殊膜层结构和电子结构的二维多层PtRu/PtNd纳米合金薄膜, 电化学活性比表面积高达115.00m2 ·g-1, 在酸性溶液中电催化氧化甲醇的活性显著提高.     

贵金属掺杂Ti/TiO2电极的制备及其电催化性能研究

采用阳极氧化-阴极电沉积两步法: 先在钛基体上用阳极氧化法制备多孔TiO₂薄膜, 接着在这层多孔状薄膜上采用阴极电沉积方法掺杂Pt, Ir来制备Ti/TiO₂-Pt修饰电极和Ti/TiO₂-Ir修饰电极. 用XRD, SEM分析了掺杂前后的成分、相结构及表面形貌的变化, 结果表明: Pt优先沉积在TiO₂多孔中; 与Pt不同, Ir没有表现出在TiO₂孔中优先沉积的现象, 出现这种现象的原因是这两种贵金属的电沉积电位相对于n-TiO₂的平带电位不同. 使用SIMS分析了在Ti/TiO₂-(Pt/Ir)修饰电极中Ti, Pt, Ir的浓度分布, 大致算出TiO₂薄膜厚度为750 nm左右. 由极化曲线和阻抗谱结果得出: 掺杂Pt, Ir明显改善了Ti/TiO₂ 电极的电催化性能, 且随着Pt沉积时间的增长, 修饰电极在硫酸析氧反应中的电催化活性提高.     

电化学去合金化Pt(Pd)-Cu对氧的电催化还原活性的研究

应用电化学去合金法制备了表面覆盖有Pt(Pd)原子层的Pt(Pd)-Cu合金催化剂.研究该催化剂在0.1mol.L-1HClO4酸性溶液中对氧气电化学还原的催化活性,并采用同步辐射反常X-射线衍射法(Anomalous X-ray Diffraction,AXRD)和表面X-射线散射法(Surface X-ray Scattering,SXS)从原子尺度研究了去合金化后催化剂的结构.分析对比纳米颗粒、薄膜和单晶3种不同形式的去合金化Pt-Cu的结构和催化活性以及Pt-Cu和Pd-Cu两种不同合金薄膜的结构和催化活性.结果表明,表面应力是影响催化剂催化活性的关键因素,而应力大小则与去合金化后所形成的表面Pt(Pd)层的厚度相关,材料尺寸和组成元素等都影响表面Pt(Pd)层的厚度.提出可利用调控材料表面的应力来设计高催化活性的催化剂.     

贵金属掺杂Ti/TiO2电极的制备及其电催化性能研究

采用阳极氧化-阴极电沉积两步法: 先在钛基体上用阳极氧化法制备多孔TiO₂薄膜, 接着在这层多孔状薄膜上采用阴极电沉积方法掺杂Pt, Ir来制备Ti/TiO₂-Pt修饰电极和Ti/TiO₂-Ir修饰电极. 用XRD, SEM分析了掺杂前后的成分、相结构及表面形貌的变化, 结果表明: Pt优先沉积在TiO₂多孔中; 与Pt不同, Ir没有表现出在TiO₂孔中优先沉积的现象, 出现这种现象的原因是这两种贵金属的电沉积电位相对于n-TiO₂的平带电位不同. 使用SIMS分析了在Ti/TiO₂-(Pt/Ir)修饰电极中Ti, Pt, Ir的浓度分布, 大致算出TiO₂薄膜厚度为750 nm左右. 由极化曲线和阻抗谱结果得出: 掺杂Pt, Ir明显改善了Ti/TiO₂ 电极的电催化性能, 且随着Pt沉积时间的增长, 修饰电极在硫酸析氧反应中的电催化活性提高.     

单层 FeO 薄膜表面周期性氧缺陷结构的形成

 采用扫描隧道显微镜和 X 射线光电子能谱对含有次表层 Fe 的 Pt 表皮结构 (Pt skin), 即 0.4 ML Fe 的 Pt/Fe/Pt(111) 表面, 在 1.1 × 10?7 kPa 氧气气氛退火过程中的变化进行了研究. 结果表明, 当退火温度为 600 K 时, 氧气在 Pt/Fe/Pt(111) 表面上解离吸附并诱导表面局域结构的重构; 750 K 时次表层 Fe 可以扩散到表面并被氧化; 当升至 850 K 时, 在样品表面形成单层 FeO 结构, 并且 FeO 表面具有周期性的缺陷. 这种缺陷是由于单层 FeO 薄膜的摩尔条纹单胞中 fcc 位上一个或多个氧原子缺失形成的, 其中多原子空位被确定为缺失 6 个氧原子所致. FeO 表面缺陷结构的研究为理解 Fe-Pt 催化剂在氧化气氛中的结构稳定性以及构造表面活性位提供一定的基础.     

射频磁控溅射制备纳米TiO2薄膜的光电化学行为

在室温下采用射频磁控溅射法制备了纳米晶粒的TiO2薄膜,用循环伏安法研究了ITO/TiO2薄膜电极的光电化学行为,并测量了相应TiO2薄膜的亲水性与光催化能力.结果表明,在室温下制备的TiO2薄膜为无定形结构,当退火温度超过400 ℃时转化为锐钛矿结构.在400 ℃下退火的TiO2薄膜具有良好的亲水性和光催化能力. TiO2薄膜电极用254 nm的紫外光照射一定时间后会产生新的氧化峰,且随着光照时间的增加,峰电流也增加.初步认为用紫外光照射一定时间后, TiO2薄膜的循环伏安图的氧化峰属于光生的Ti3＋,而光致亲水性可能与Ti3＋的生成有关.     

Stress Measurements and Processing Optimization for Solution Derived SrBi2Ta2O9 Thin Films

The development of stress in the SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) films generated from a chemical solution deposition method was monitored during processing using wafer curvature measurements. Stress measurements of the entire Si/SiO₂/Pt/SBT stack revealed an overall tensile stress of 536 MPa. The greatest increase in tensile stress was recorded for the anneal of the Pt bottom electrode and was due to the thermal expansion mismatch. Deposition of an amorphous SBT layer on the Pt, followed by a low temperature anneal (300°C), had little overall effect on the stress of the stack; however, upon crystallization, significantly more tensile stress was introduced into the stack. To further investigate the effect that stress has on the various electrical properties SBT films, wafers with different stress states were produced and SBT films deposited on them. Initial investigations indicate that SBT films on wafers with a higher tensile stress displayed improved ferroelectric hysteresis and switchable polarization.     

Platinum–titanium intermetallic nanoparticle catalysts for oxygen reduction reaction with enhanced activity and durability

A facile method to prepare Pt–Ti intermetallic nanoparticles supported on carbon was developed. Starting from a commercial Pt/C catalyst, TiO₂ layers were formed on the Pt/C then thermal annealing under a reducing condition successfully produced intermetallic Pt–Ti nanoparticles with an average size of 4.2 nm. The intermetallic Pt–Ti/C showed enhanced activity and durability for oxygen reduction reaction due to the change in electronic structure and less aggregation.     

Effect of the iridium oxide thin film on the electrochemical activity of platinum nanoparticles

The influence of the iridium oxide thin film on the electrocatalytic properties of platinum nanoparticles was investigated using the electro-oxidation of methanol and CO as a probe. The presence of the IrO(2) thin film leads to the homogeneous dispersion of Pt nanoparticles. For comparison, polycrystalline platinum and Pt nanoparticles dispersed on a Ti substrate in the absence of an IrO(2) layer (Ti/Pt) were also investigated in this study. Inverted and enhanced CO bipolar peaks were observed using an in situ electrochemical Fourier transform infrared technique during the methanol oxidation on the Pt nanoparticles dispersed on a Ti substrate. Electrochemical impedance studies showed that the charge transfer resistance was significantly lower for the Ti/IrO(2)/Pt electrode compared with that of the massive Pt and Ti/Pt nanoparticles. The presence of the IrO(2) thin film not only greatly increases the active surface area but also promotes CO oxidation at a much lower electrode potential, thus, significantly enhancing the electrocatalytic activity of Pt nanoparticles toward methanol electro-oxidation.     

电沉积-置换法制备Pt/Ti对电极及其对染料敏化太阳能电池性能的提升

采用电沉积-置换法在Ti片上制备了染料敏化太阳能电池(DSSC)的对电极Pt/Ti. 形貌表征结果显示, 与传统热解法制备的Pt/FTO对电极相比, Pt/Ti对电极Ti基底上Pt催化颗粒的粒径和分散性得到显著改善. 光电流-光电压特性曲线测试结果表明, 以Pt/Ti为对电极的DSSC与以Pt/FTO为对电极的DSSC相比, 光电转化效率提高了20.8%. 由于Pt颗粒分散性和粒径的改善所引起的Pt催化性能的提高、 Pt/Ti对电极更低的电阻以及Ti基底更好的反光性能是提升DSSC性能的原因.     

电解煤浆制氢钛基阳极铂铁合金催化剂的制备及电催化活性研究

将预处理后的钛片作为电极基体, 采用恒电流法沉积Pt和Fe, 通过高温热处理得到Ti/Pt-Fe电极, 通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子能谱(EDS)以及等离子发射光谱(ICP)等方法对所制备电极表面形貌、组分的合金化程度、催化层成分组成以及电极寿命等进行了表征; 在煤浆电解过程中, 采用两电极体系, 对所制备电极的电催化活性进行了测试. 结果表明: 所制备的电极表面呈层状结构, 且有大量峰形突起, 催化层形成了PtFe合金, 合金化程度较高, 与同面积的铂片电极、Ti/TiO₂Pt-Ru电极相比, 大大提高了电催化活性, 降低了电极成本.     

CoSe/TiN同轴纳米管阵列在染料敏化太阳能电池对电极中的应用研究

以钛网作为基底,采用阳极氧化、氨气氮化的方法制备了TiN纳米管,随后电沉积CoSe,制备了CoSe/TiN/Ti同轴纳米管阵列电极。循环伏安结果表明,CoSe/TiN/Ti电极对I-3具有高的电催化还原性能,这归因于高催化活性的CoSe和高导电的TiN的协同效应。以CoSe/TiN/Ti电极作为对电极组装染料敏化太阳能电池,电池的能量转换效率高达9.25%,比传统Pt/FTO对电极组装的电池(8.09%)高1%。这一结果为非Pt对电极纳米结构的设计提供了一个很好的思路。     

纳米TiO2-Pt修饰电极的制备及其电催化活性

循环伏安;纳米TiO2-Pt修饰电极的制备及其电催化活性     

Ion bombardment-induced mechanical stress in plasma-enhanced deposited silicon nitride and silicon oxynitride films

We have studied the influence of different deposition conditions on the mechanical stress of silicon nitride and silicon oxynitride layers formed by plasma-enhanced deposition onto silicon substrates. It appears that the mechanical stress of the as-deposited silicon (oxy)nitride layer is a combined effect of the extent of ion bombardment and the deposition temperature on the hydrogen desorption rate. Deposited films show a tensile stress character when the hydrogen desorption rate is thermally controlled, whereas in the case of an ion-bombardement-controlled hydrogen desorption rate the deposited films have a compressive stress. It is also shown that due to annealing at temperatures above the deposition temperature the films are densified as a result of hydrogen desorption and cross-linking.     

间接电氧化法合成甘油醛

通过电化学合成前驱体和溶胶-凝胶法在Ti表面修饰一层纳米TiO2膜,在纳米Ti02膜上电沉积分散的Pt微粒制成钛基纳米TiO2-Pt(Ti/nano-TiO2-pt)修饰电极。采用循环伏安法、间接电氧化法研究了纳米Ti02-Pt修饰电极的电催化活性以及Mn^3 ／Mn^2 媒质氧化甘油为甘油醛的过程。结果表明,纳米Ti02-Pt修饰电极对Mn^2 的电氧化具有高催化活性,电流效率可达90％以上,非均相电解得到的Mn^3 可一步氧化甘油为甘油醛,收率为91％。