衬底温度对ZnO薄膜生长过程和微结构的影响

从原子尺度上去研究薄膜生长过程中温度对薄膜取向性、缺陷结构以及薄膜完整性的影响和作用规律, 对于解释薄膜生长的物理本质、控制生长条件、提高薄膜制备的质量具有重要意义. 本文应用基于反应力场的分子动力学方法研究了ZnO薄膜(000l)表面作为衬底的薄膜沉积生长过程, 初步讨论了衬底温度(200、500和800 K)变化对沉积较薄ZnO膜质量的影响, 部分结果与实验观察相符. 结果表明, 衬底温度在500 K左右时, 沉积原子结构径向分布函数曲线特征峰尖锐、明显, 有序度较高, 注入和溅射对薄膜完整性影响较小, 沉积形成的薄膜结构稳定而又致密. 在预置衬底表面平坦的情况下薄膜呈现一种链岛状的生长模式, 每原子层均具有两种生长取向, 导致其生长前锋交汇处形成了一种新的有序缺陷.     

Cu在ZrO_2(111)薄膜载体上的生长与界面相互作用

采用分子束外延法在Pt(111)单晶表面上制备有序的ZrO2(111)薄膜,利用低能电子衍射谱、同步辐射光电子能谱和X射线光电子能谱研究了Cu纳米颗粒在ZrO2(111)薄膜表面的生长模式和界面相互作用.结果表明,室温下Cu先以二维模式生长到0.15单层(ML),接着以三维模式生长.随着Cu覆盖度的减小,Cu2p3/2峰逐渐向高结合能位移,可归因于初态效应和终态效应共同作用的结果.Cu最初沉积到ZrO2表面时,两者间存在较强的相互作用,Cu向ZrO2衬底传递电荷,以Cu(Ⅰ)形式出现.当Cu覆盖度增加到1ML以后,Cu开始表现出金属特征.     

硅表面化学镀银晶籽层生长过程的研究

室温下在HF+AgNO₃溶液中于硅表面制备了银晶籽层。利用开路电位时间曲线（OCP-t）、阳极溶出伏安法（ASV）以及扫描隧道显微镜（STM）等方法研究了硅表面银晶籽层的形成过程，解释了银晶核长大的过程。提出了银晶籽在硅表面的生长机理是：首先是在硅表面没有被完全覆盖的情况下，单层银晶籽生长的同时伴随有多层的生长，此后单层逐渐形成连续的薄膜，在单层晶籽层上多层薄膜逐渐增厚，并伴随有部分银原子向硅中的扩散。     

金属锌表面膜形成的椭圆偏振技术研究

介绍了近年作者课题组使用椭圆偏振技术研究金属锌表面氧化膜的形成,包括多晶锌表面自然氧化物薄膜的形成及其光学性能和电子结构、不同气氛自然氧化物膜的生长研究以及在碱性碳酸盐介质金属锌的电化学过程等方面的工作. 旨在通过原位和非原位椭圆偏振技术了解金属锌表面氧化物膜层的光、电性能以及膜层结构的改变和生长动力学,这对评估锌氧化层的总体性能有着重要意义.     

PEEM/LEEM技术在两维原子晶体表面物理化学研究中的应用

光发射电子显微镜(PEEM)/低能电子显微镜(LEEM)技术能够原位实时对表面结构、表面电子态和表面化学进行动态成像研究,在催化、能源、纳米、材料等领域有着重要的应用。本文着重介绍这两种技术的新进展,以及该技术在两维原子晶体的表面物理化学研究中的应用;包括原位研究两维原子晶体(石墨烯、氮化硼等)的生长、异质结构的形成、两维原子晶体表面下的插层反应和限域催化反应;将表面原位成像、微区低能电子衍射(μ-LEED)、图像亮度随电子束能量变化(I－V)曲线研究与其它表面表征技术相结合,能够有效理解两维层状材料表面以及层状材料与衬底界面上的动态过程。     

原子层沉积氧化物包覆层对奥克托金感度的影响

通过原子层沉积(ALD)技术在微米级奥克托今(HMX)炸药颗粒表面包覆了氧化铝和氧化锌薄膜.采用X射线光电子能谱和扫描电子显微镜对包覆后HMX颗粒的表面化学组成和形貌进行了表征,利用差示扫描量热法和热重法分析了包覆后HMX的热分解行为.测试了ALD氧化物包覆的HMX的机械感度和静电火花感度,研究了HMX颗粒表面包覆层的组成和厚度对其感度的影响.结果表明,ALD氧化铝或氧化锌薄膜均能够完整、均匀地覆盖HMX颗粒的全部外表面,薄膜厚度在纳米尺度范围内精确可调.ALD氧化铝或氧化锌薄膜对HMX的热分解性能影响很小.由于金属氧化物具有很高的硬度,ALD氧化铝或氧化锌包覆膜不能降低HMX的机械感度.但氧化物薄膜具有一定的导电性,可降低HMX的静电火花感度.     

超细Pd纳米线表层富Pt作为耐久性氧还原催化剂研究

本文控制合成一维方向生长的直径为1.5 nm,长度为11.8 nm的超细Pd纳米线,结合欠电位沉积方法在其表面制备了不同Pt原子层的Pd@Pt核壳结构纳米电催化剂. 高分辨透射电镜和光电子能谱结果证实了这种核壳结构及Pt在Pd纳米线上的均匀分布. 相比于商业化Pt黑催化剂,该核壳结构电催化剂对酸性介质中的氧气还原反应呈现了较高的电催化活性和增强的耐久性. 显著增强的耐久性可归属于催化剂一维结构的稳定性.     

电化聚合聚吡咯的角分布X射线光电子能谱研究

用角分布Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）测试和样品原位加热相结合的方法研究了阴离子是对甲苯磺酸根的电生导电聚吡咯的化学和聚集态结构．其结果表明聚吡咯表面约几个原子层内原子的相对浓度依下述次序递减：Ｃ＞Ｏ＞Ｓ＞Ｎ；导电聚吡咯中的氮原子至少有吡咯氮和氧化态氮两种；在２００℃加热以后聚合物链不受影响，但阴离子向表面迁移，同时氧化态氮大大减少．     

超细Pd纳米线表层富Pt作为耐久性氧还原催化剂的研究

本文控制合成一维方向生长的直径为1.5 nm、长度为11.8 nm的超细Pd纳米线,结合欠电位沉积方法在其表面制备了不同Pt原子层的Pd@Pt核壳结构纳米电催化剂,高分辨透射电镜和光电子能谱结果证实了这种核壳结构及Pt在Pd纳米线上的均匀分布.相比于商业化Pt黑催化剂,该核壳结构电催化剂对酸性介质中的氧气还原反应呈现了较高的电催化活性和增强的耐久性,显著增强的耐久性可归属于催化剂一维结构的稳定性.     

薄膜CdSe及CdSexTe1-x电极的光电子能谱研究

用X射线光电子能谱(XPS)研究了不同含氧气氛中烧结的薄膜CdSe及Cdse_xTe_1-x电极表面,以及薄膜与Ti底基之间的界面。研究中发现,二种薄膜电极的表面形成了CdO,SeO₂及TeO₂氧化物,与薄膜接触的Ti底基表面上形成了TiO₂。用俄歇电子能谱(AES)对在电极表面及Ti表面所生成的氧化层分别进行了深度分析。结果表明,各种氧化物形成的程度有很大的不同,氧化层厚度也存在差异。对影响薄膜电极的光电性能的因素进行了讨论。     

ZnSe;Cu纳米晶/聚电解质多层膜制备和结构研究

采用分子沉积方法制备了ZnSe;Cu纳米晶/聚电解质多层膜,通过X射线光电子能谱(XPS)和透射电镜(TEM)等方法对薄膜的组成及结构进行了表征.XPS结果证实了回流处理对ZnSe;Cu微粒的表面结构以及铜离子价态的影响,从而很好地解释了经表面修饰后,微粒荧光增强的现象.TEM结果确定ZnSe;Cu的平均尺寸为3nm.X射线粉末衍射结果进一步确认ZnSe;Cu具有纤锌矿晶体结构.     

n型金刚石薄膜催化生长碳纳米管

研究了n型金刚石薄膜作为催化剂生长碳纳米管的方法.首先采用丙酮裂解化学气相沉积(CVD)法制备均匀的n型金刚石薄膜,然后采用乙醇为碳源的CVD法,在850、900和950℃下,分别在n型金刚石薄膜上制备了碳球、竹节状碳管和多壁碳纳米管.所得产物用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱表征.实验结果表明产物的形貌与反应温度有关.我们还提出了与金刚石催化生长碳纳米管结果相符的实验机理.     

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.     

ZnSe∶Cu纳米晶/聚电解质多层膜制备和结构研究

采用分子沉积方法制备了 Zn Se∶Cu纳米晶 /聚电解质多层膜 ,通过 X射线光电子能谱 ( XPS)和透射电镜 ( TEM)等方法对薄膜的组成及结构进行了表征 . XPS结果证实了回流处理对 Zn Se∶ Cu微粒的表面结构以及铜离子价态的影响 ,从而很好地解释了经表面修饰后 ,微粒荧光增强的现象 .TEM结果确定 Zn Se∶Cu的平均尺寸为 3nm.X射线粉末衍射结果进一步确认 Zn Se∶Cu具有纤锌矿晶体结构 .     

无定形氧化铁层在纳米多孔BiVO4的光电化学分解水反应中的作用

通过"人工光合成"过程,将太阳能转化成氢能的形式加以存储和利用,是替代传统化石能源的清洁能源的制备有效途径.其中,光电化学分解水是氢能制备的最有潜力的路径之一.n型BiVO4由于具有丰富的储量、较窄的带隙以及合适的能带位置,被称为光电化学领域的研究热点.然而,未修饰的BiVO4光阳极性能并不理想,主要原因在于载流子复合严重、导电性差以及表面催化动力学低等性质的制约.科研工作者们针对这些方面已进行了非常多的研究,例如与电子传输层的复合、产氧电催化剂的担载以及异质结的构建等.其中表面动力学和电荷分离的同时提升是更理想的改善BiVO4光阳极性能的方法.我们在上述研究基础上,采用光化学沉积法在纳米多孔BiVO4电极表面担载无定形氧化铁层,将电极在1.23 V vs.RHE电位下的光电流提升至2.52 mA/cm2,是初始光电化学性能的3倍.采用间歇光照计时电流(i-t)测试,电化学交流阻抗谱(EIS),X射线光电子能谱(XPS),原位和非原位的X射线精细结构能谱(in-situ and ex-situ XAFS)等表征手段研究了无定形氧化铁层的成分和光电化学反应过程中的价态变化,从而分析出光电化学性能提升的原因.间歇光照i-t测试和EIS测试结果表明,无定形氧化铁沉积在BiVO4使电荷累积减少,复合率降低.XPS测试结果发现无定形氧化铁层存在少量的二价铁成分.通过原位XAFS测试发现,BiVO4/FeOx电极中Fe原子的价态在光照和施加外加偏压条件下会有价态的升高,而撤去光照和偏压后Fe原子的价态状态与最初非原位的测试结果重合.这样的结果证明了无定型氧化铁层在光电化学反应过程中由于二价铁成分的存在,能够很好的通过价态改变实现空穴的吸附和传输,即吸附空穴,被空穴氧化成三价或四价,同时结合自身电催化活性,促进表面分解水反应的进行.而水的氧化反应结束时,则伴随着二价铁离子的再生成.这种反应机理为开发更高效的电催化剂,匹配光电极使用,有着重大的指导意义.     

Ca掺杂的CeO_2模型催化剂的形貌和电子结构及其与CO_2分子的相互作用（英文）

利用扫描隧道显微镜、X射线光电子能谱和同步辐射光电子能谱研究了CeO_2(111),部分还原的CeO_(2-x)(111)(0 x 0.5)以及Ca掺杂的CeO_2模型催化剂的形貌、电子结构以及它们与CO_2分子间的相互作用。CeO_2(111)和部分还原的CeO_(2-x)(111)薄膜外延生长于Cu(111)单晶表面。不同Ca掺杂的CeO_2薄膜是通过在CeO_2(111)薄膜表面室温物理沉积金属Ca及随后真空退火到不同温度而得到的。不同的制备过程导致样品具有不同的表面组成,化学态和结构。CO_2吸附到CeO_2和部分还原的CeO_(2-x)表面后导致表面羧酸盐的形成。此外,相比于CeO_2表面,羧酸盐物种更易在部分还原的CeO_(2-x)表面生成,而且更加稳定。而在Ca掺杂的氧化铈薄膜表面,Ca~(2+)离子的存在有利于CO_2的吸附,且探测到碳酸盐物种的形成。     

原子层沉积技术调控分子筛基催化剂研究进展

分子筛基催化剂在多相催化研究领域具有重要的应用,但调控活性中心粒子的结构及其在分子筛上的空间位置仍比较困难,是科研界和工业界共同面临的巨大挑战。原子层沉积(ALD)是一种先进的薄膜沉积技术,利用其自限制生长优势,可在原子级别实现对金属粒子生长过程的精准调控。本工作综述了ALD技术在制备分子筛基催化剂方面的应用,主要包括利用ALD技术控制活性位点在分子筛上的生长落位、修饰分子筛骨架结构以及选择性沉积膜调变分子筛表面结构。利用ALD技术设计和调控活性组分结构促进了分子筛基催化剂的发展,但由于分子筛孔道结构复杂且存在缺陷位,因此,ALD技术在分子筛基催化剂的设计调控及大规模应用方面仍具有挑战性,也是今后研究工作的重点。     

电沉积表面修饰对染料敏化太阳电池微观性能影响机理研究

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程, 研究者尝试不同方法制备或改性TiO₂薄膜. 对TiO₂薄膜进行后处理, 在其表面引入一层小颗粒层, 是一种有效的方法并被广泛研究. 通过对TiO₂薄膜不同时间的电沉积表面修饰, 细致研究了表面修饰后染料敏化太阳电池微观性能的变化机制. 采用阳极氧化法在TiCl₃水溶液中对TiO₂薄膜进行电沉积后处理, 将溶液pH值调至2.2, 装置的反应速率由恒电位仪控制. 不同沉积时间电池带边移动以及电子传输复合的动力学过程, 借助强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)和电化学阻抗谱(EIS)等探测技术表征. 研究表明, 电沉积在TiO₂薄膜表面引入了大量浅能级陷阱态, 以致电势较高时电容随沉积时间延长增加明显. 不同时间的电沉积表面修饰在TiO₂薄膜表面形成了新的小颗粒层并改善了TiO₂颗粒间接触, 在改善电子注入及收集过程的同时, 也有效抑制了内部电子复合. IMPS/IMVS结果表明, 电沉积对动力学过程改善的效果受光强影响明显, 弱光下作用更为突出. 此外, 电池开路电压主要受带边移动及内部复合变化影响, 随沉积时间延长, 表面电荷的增多使TiO₂薄膜带边逐渐正移, 有效改善了光电流却限制了开路电压的提升. 在适合的电沉积时间下, 电沉积表面修饰可以同时改善光电流和光电压.     

静电自组装铁电超薄膜及其性能研究

利用静电自组装方法在石英玻璃表面交替沉积聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和聚偏氟乙烯(PVDF)超薄膜,制得PDDA/PVDF铁电复合超薄膜.通过石英晶体微天平实时监测超薄膜的沉积,研究了超薄膜的表面形貌、结构及电性能.结果表明,自组装每层PVDF超薄膜的厚度为7.5 nm;PDDA/PVDF铁电复合超薄膜的表面平整、均匀,其中C1s的光电子能谱与极化处理后充负电荷的PVDF铁电聚合物一致,但F1s由于溶解再组装过程而降低了0.3 eV;静电自组装材料纳米级的薄膜厚度和聚合物的络合作用导致了铁电复合超薄膜的非晶结构和高的表面电阻率.     

光诱导约束刻蚀体系中的TiO_2纳米管阵列光电极上Cu的沉积及抑制

光诱导约束刻蚀可作为一种无应力的化学平坦化方法用于Cu的抛光。我们发现在光诱导约束刻蚀工件Cu的过程中,工具表面的TiO_2纳米管上可能出现Cu沉积。通过扫描电子显微镜及其能谱,X射线光电子能谱等方法分析其沉积形貌和成分组成,探究在工具-工件之间的微纳尺度液层中Cu光催化还原沉积的机制,并在模拟液中研究Cu沉积对刻蚀体系的影响。探究引入搅拌、加入络合剂对TiO_2纳米管表面Cu的沉积的抑制,并考察抑制措施对于工件Cu刻蚀的影响。结果表明Cu沉积会增强TiO_2纳米管光电极的光催化性能,但随着沉积量的增加,增强机制会发生变化;在尝试抑制Cu沉积时也发现改善传质以抑制Cu沉积的同时也会带来工件Cu的刻蚀增强;采用添加络合剂结合改善传质的方法有望在抑制Cu沉积的同时提高平坦化效果。所以抑制方法和条件的选择需兼顾对工具-工件之间微纳液层中的多个化学和传质过程的影响。这些研究对于进一步优化光诱导约束刻蚀体系及其在化学平坦化中的应用有重要的指导意义。