非晶氧化钛薄膜形成过程中钛离子能量对表面结构影响的机理

研究了非晶氧化钛薄膜沉积过程中入射钛离子能量对表面结构形成机理以及薄膜特性的影响.模拟结果表明,通过提高入射钛离子能量,可以有效降低成膜表面粗糙度,从而减小薄膜表面的光学散射损耗.研究发现,当入射离子能量提高后,薄膜生长模式从"岛"状生长过渡到了"层"状生长,且离子入射点附近的平均扩散系数也有显著增加,这有利于形成更加平整的高质量薄膜表面.     

通过调控晶体结构提高氧气还原反应电催化活性:MPt金属间相纳米晶（英文）

燃料电池的正极主要发生氧还原反应(ORR),但是该反应的动力学速率较慢,需要催化剂来降低反应的过电势.目前商用的催化剂是碳载铂纳米粒子催化剂,但是铂高昂的价格严重阻碍了燃料电池的大规模商业化.近年来的理论和实验研究表明,过渡金属(M)与铂(Pt)形成的纳米晶合金(MPt)能够作为有效的ORR催化剂,同时由于引入价格低廉的过渡金属,催化剂成本有所降低.然而,即使合金化的催化剂具有良好的初始催化性能,但是在燃料电池的实际操作环境,即高电压、高温和酸性条件,长时间运行之后,过渡金属很容易被腐蚀流失,从而留下表面配位数较低的铂原子,而这些铂原子对ORR反应几乎没有催化作用,导致催化剂逐渐失活,燃料电池的输出功率逐渐降低.最近一些研究表明,铂基催化剂在一定条件下,例如加热,能够发生固态相变,形成结构有序的即金属间纳米晶(iNCs).与无序排列的合金相比,这种有序的MPt能够调控表面铂原子与含氧中间体的结合能,可以进一步提高ORR活性;同时,由于在金属间纳米晶中铂原子与过渡金属原子具有很强的相互作用,过渡金属在酸性溶液中也不容易被腐蚀,从而大大提高了催化剂的稳定性.本综述以FePt,CoPt和PbPt为例,总结了它们的相变规律和条件,同时关注它们的合成-结构-性能的构效关系,突出金属间结构在提高活性和稳定性方面的优势.最后,为了进一步提高MPt金属间纳米晶的活性,我们提出一些可能的方向和观点,包括:(1)在实现无序-相变的同时实现形貌调控来提高催化剂活性;(2)关注尺寸效应,尽可能减小MPt金属间纳米晶的尺寸,提高铂的利用率,从而提高催化剂活性;(3)关注材料的有序程度,尽可能提高材料的有序度,充分发挥金属间纳米晶对于氧还原反应的优势     

基底表面纳米织构对非晶四面体碳膜结构和摩擦特性的影响研究

本文利用离子束表面改性技术对基底表面进行不同时间的轰击, 形成不同规则的纳米织构, 对不同织构的变化规律进行了研究, 同时, 利用磁过滤真空阴极电弧技术, 在具有不同纳米织构的各基底上沉积相同时间的四面体非晶碳薄膜. 采用原子力显微镜对各基底的织构进行形貌分析, 结果表明, 高能粒子束的轰击对基底表面形貌有较大的影响, 根据离子束轰击时间的不同, 可以在基底表面形成各种不同规则的纳米织构, 轰击15 min后发现基底表面形成点阵纳米织构, 之后随着时间的增加, 基本维持点阵结构. 通过X射线光电子能谱仪和摩擦磨损试验仪对沉积在具有不同织构的基底上的ta-C薄膜进行测试, 研究表明, 基底表面纳米织构的非晶层结构引起薄膜内部sp³键的含量降低, 释放了薄膜的内应力, 同时发现基底表面纳米织构将ta-C薄膜磨损时间从不足10 min提高到约70 min, 有效提高了薄膜的耐磨性.     

非晶SiO_2薄膜中氧双键缺陷电子及光学特性的第一性原理研究

利用第一性原理对离子溅射沉积的非晶SiO2薄膜微观结构进行了分析、研究,结果表明,氧双键缺陷(SGs)可以作为体缺陷稳定存在于非晶SiO2中,SGs缺陷导致非晶SiO2薄膜材料禁带中引入了新的电子态,减小了禁带宽度;同时采用时相关密度泛函理论(TDDFT)对其光学特性进行了研究,得到非晶SiO2薄膜介电常数与入射光子能量间的关系曲线,从介电常数的虚部发现SGs缺陷在3.6eV处存在一个光学吸收峰.     

氮离子轰击能量对ta-C:N薄膜结构的影响

利用磁过滤真空阴极电弧技术制备了sp³键含量不小于80%的四面体非晶碳薄膜(ta-C), 然后通过氮离子束改性技术制备了氮掺杂的四面体非晶碳(ta-C:N)薄膜. 利用Raman光谱和X射线光电子能谱对薄膜结构的分析,研究了氮离子轰击能量对ta-C:N薄膜结构的影响. 氮离子对ta-C薄膜的轰击,形成了氮掺杂的ta-C:N薄膜. 氮离子轰击诱导了薄膜中sp³键向sp²键转化, 以及CN键的形成.在ta-C:N薄膜中,氮掺杂的深度和浓度随着氮离子能量的增大而增大. ta-C:N薄膜中sp²键的含量和sp²键团簇的尺寸随着氮离子轰击能量的增大而增加; 在ta-C:N薄膜中, CN键主要由C-N键和C＝N键构成, C-N 键的含量随着氮离子轰击能量的增大而减小,但是C＝N 键含量随着氮离子轰击能量的增大而增大.在ta-C:N薄膜中不含有C≡N键结构.     

非晶SiO2薄膜中氧双键缺陷电子及光学特性的第一性原理研究

利用第一性原理对离子溅射沉积的非晶SiO2薄膜微观结构进行了分析、研究,结果表明,氧双键缺陷（SGs）可以作为体缺陷稳定存在于非晶SiO2中,SGs缺陷导致非晶SiO2薄膜材料禁带中引入了新的电子态,减小了禁带宽度;同时采用时相关密度泛函理论（TDDFT）对其光学特性进行了研究,得到非晶SiO2薄膜介电常数与入射光子能量间的关系曲线,从介电常数的虚部发现SGs缺陷在3.6eV处存在一个光学吸收峰。     

氮化铬过渡层对四面体非晶碳薄膜在高速钢基底上附着特性影响的研究

利用磁过滤阴极电弧与磁控溅射相结合的薄膜沉积技术在高速钢基底上 制备了氮化铬/四面体非晶碳(CrN/ta-C)复合涂层, 通过改变过渡层氮化铬(CrN)的制备工艺, 研究了四面体非晶碳(ta-C)薄膜在钢基底材料上的附着特性的变化. 结果表明, 随着氮气流量的增大, CrN/ta-C复合涂层中的氮化铬经过了Cr-Cr₂N-CrN的相变过程. 同时涂层的附着力也随着氮气流量的增大而增加, 但是当氮气流量超过30 sccm时, 涂层附着力会有所下降; 通过改变基片偏压, 复合涂层中氮化铬的择优取向与晶粒结构发生改变, 随着偏压的增大, 涂层附着力也会大大改善, 但是当偏压超过200 V, 涂层附着特性会略微降低. 通过涂层耐磨性的测试也表明, 在高速钢基底上, CrN涂层能显著提高ta-C薄膜在高速钢基底上的附着力, 同时显著提高耐磨特性. 关键词： 附着力 四面体非晶碳薄膜 X射线衍射 拉曼光谱     

高能氮离子轰击对四面体非晶碳膜的表面改性和摩擦系数影响的研究

利用过滤阴极真空电弧技术制备了sp³键含量不小于80%的四面体非晶碳(ta-C)膜.利用冷阴极潘宁离子源产生不同能量的氮离子对制备的ta-C薄膜进行轰击,通过X射线光电子能谱和原子力显微镜对薄膜表面结构与形貌进行分析研究.研究表明,随着氮离子的轰击能量的增大,薄膜中的CN键结构略有增大,形成了轻N掺杂;同时,在薄膜表层发生了sp³键结构向sp²键结构的转化;薄膜的表面粗糙度在经过氮离子轰击后从0.2 nm减小至0.18 nm,然后随着轰击能 关键词： 四面体非晶碳 X射线光电子能谱 摩擦系数     

纳米尺度下Si/Ge界面应力释放机制的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了纳米尺度下硅(Si)基锗(Ge)结构的Si/Ge界面应力分布特征,以及点缺陷层在应力释放过程中的作用机制.结果表明:在纳米尺度下, Si/Ge界面应力分布曲线与Ge尺寸密切相关,界面应力下降速度与Ge尺寸存在近似的线性递减关系;同时,在Si/Ge界面处增加一个富含空位缺陷的缓冲层,可显著改变Si/Ge界面应力分布,在此基础上对比分析了点缺陷在纯Ge结构内部引起应力变化与缺陷密度的关系,缺陷层的引入和缺陷密度的增加可加速界面应力的释放.参考对Si/Ge界面结构的研究结果,可在Si基纯Ge薄膜生长过程中引入缺陷层,并对其结构进行设计,降低界面应力水平,进而降低界面处产生位错缺陷的概率,提高Si基Ge薄膜质量,这一思想在研究报道的Si基Ge膜低温缓冲层生长方法中初步得到了证实.