碳氢基团在孕镶金刚石表面吸附作用的机理研究

为了探究活性碳氢基团在CVD过程中的实际作用,基于第一性原理的平面波赝势方法并结合孕镶金刚石基底表面缺陷的特性,从理论上计算了以CH4/H2为气源的CVD过程中各种碳氢活性基团(C、CH、CH2和CH3)的自由能,具体分析了各种基团在基底表面的吸附过程以及吸附难易程度.结果表明:CH3、CH2、CH、C粒子在基底上的吸附能力逐渐减弱,CH3粒子吸附能最高,是促进CVD金刚石涂层生长的最有利基团.CH、C基团与基底碳原子成键接近石墨键,是不利于金刚石涂层生长的基团,会导致CVD金刚石薄膜产生一定的无定形碳和晶格缺陷.根据这一结论,在CVD沉积实验中,可适当调整实验参数以增加反应腔室中CH3的浓度,从而沉积出更高品质的CVD金刚石涂层.     

硫硒元素掺杂金刚石表面的生长位点研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了硫(S)掺杂、硒(Se)掺杂以及硫硒共掺杂金刚石基底对化学气相沉积金刚石涂层时的不同活性基团的吸附生长过程，计算分析了三种不同基底对沉积气氛中不同碳氢基团(C、CH、CH₂、CH₃)的吸附能、Mulliken电荷分布和化学键重叠布居数等性质。计算结果表明：硫掺杂模型与C、CH和CH₂之间，硒掺杂模型与C、CH基团之间，硫硒共掺杂模型与C、CH和CH₂之间都通过电荷转移形成了共价键，硫掺杂模型与CH基团以及硫硒共掺杂模型与C基团之间的成键很接近理想金刚石的C—C键，添加硫元素和硒元素可以在原有的金刚石颗粒同质外延生长的基础上增加更多生长活性位点。     

在预涂陶瓷过渡层的多谱段ZnS衬底上沉积金刚石膜的探索研究

本文采用真空电子束蒸镀技术在多谱段ZnS衬底上沉积了适合金刚石膜沉积的致密陶瓷过渡层,并利用微波等离子体CVD金刚石膜低温沉积技术进行了金刚石膜沉积研究.发现在陶瓷过渡层上的金刚石形核极其困难,其原因可能是陶瓷涂层在沉积过程中龟裂导致ZnS蒸汽扩散逸出干扰金刚石形核所致.本文采用诱导形核技术在过渡层/ZnS试样表面观察到极高密度(1010/cm2)的金刚石形核,并对金刚石/过渡层/ZnS试样的红外透过特性进行了评价.     

电弧分区特征对金刚石形核的影响

在直流电弧等离子体喷射CVD法制备金刚石膜中,电弧可分为弧心、弧干、弧边三个区域.本文主要阐述了电弧的分区特征,讨论电弧区域特征对金刚石形核的影响.同时,以电弧分区特征为基础,探讨了预处理方式和温度对金刚石形核的关联影响.结果表明:形核初期对应于TiC粉的Raman谱,衬底的钛过渡层表面形成了TiC的过渡层,弧心区域金刚石形核迅速,形核密度较高,而在弧边区域金刚石形核缓慢,形核密度相对较低.     

Pd掺杂SnP3单层对SF6分解组分吸附的第一性原理研究

利用气敏传感器检测SF₆分解组分信息可评估GIS设备运行状态，及早发现绝缘缺陷。金属掺杂的SnP₃单层有着良好的吸附性能，在气体检测领域具有应用前景。本文基于第一性原理计算并分析了Pd-SnP₃单层吸附SO₂、H₂S、SOF₂和SO₂F₂后体系的吸附能、态密度、能隙与解吸时间等参数，探讨其用于气体传感器的可能性。结果表明：在吸附性能方面，Pd-SnP₃单层仅对SO₂F₂发生了化学吸附，且结合态密度、差分电荷密度与转移电荷分析进一步验证了该材料对SO₂F₂的吸附效果明显优于SO₂、H₂S和SOF₂;在传感特性方面，仅有SO₂F₂的吸附使体系的能隙发生了明显变化，且该气体可在398 K及以上温度下从P...     

稀土金属Y掺杂锐钛矿TiO2(101)表面的改性

为了掌握Y原子掺杂在锐钛矿TiO₂(101)表面的稳定吸附位置和电子结构变化,提高其表面光催化活性,本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Y原子掺杂在完美的、带有亚表层氧空位和带有表层氧空位的锐钛矿TiO₂(101)表面的结构稳定性和电子性能。结构优化和电荷密度结果表明,Y原子可以稳定吸附在三种不同的表面上。在完美表面吸附时,Y原子最稳定的吸附位置是两个三配位O原子之间的空位;与完美表面类似,在带有亚表层氧空位表面吸附时,Y原子最稳定吸附位置是与氧空位邻近的两个三配位O原子之间的空位;而在带有表层氧空位表面吸附时,Y原子则停留于氧空位邻近的四配位Ti原子位置上最稳定。电荷密度计算结果也表明Y原子与这三种表面结合非常稳固。电子态密度计算结果表明,在带有表层氧空位的锐钛矿TiO₂(101)表面引入Y原子会在费米面附近的带隙中引入缺陷态,带隙从1.67 eV降至1.44 eV,这有可能引起电子的分级跃迁,提高表面光催化能力。本文的研究为利用单原子Y掺杂提高TiO₂(101)表面光催化能力提供了理论...     

硼掺杂和氮掺杂金刚石的吸附生长过程研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,探究了化学气相沉积硼掺杂和氮掺杂金刚石的吸附生长过程:建立了一端为氢终止表面的金刚石基底模型以及单个氮取代或单个硼取代的掺杂金刚石基底模型,并计算这些模型的最优稳定结构;研究了不同碳氢基团(C、CH、CH2、CH3)、硼氢基团(B、BH、BH2)和氮氢基团(N、NH、NH2)在有活性位点的不同基底上的吸附过程和吸附难易程度.对比计算结果表明:硼原子和氮原子能通过原位取代的方式掺杂进入金刚石晶格中,并且带有两个氢的基团(BH2、NH2)是最有利的掺杂基团;氮原子通过取代进入金刚石晶格中后,难以形成氮二聚体,不能大量掺杂,而硼原子较易形成硼二聚体,可以实现大量掺杂.     

4d金属掺杂增强SnO2对丙酮光学传感特性的理论分析

通过检测人体呼出气体中的微量丙酮可以筛查出早期的糖尿病患者,因此寻找能进行微量丙酮气体灵敏探测的材料是一个研究热点。本文计算4d金属杂质Mo、Ru、Rh、Ag掺杂金红石相SnO₂(110)表面吸附丙酮分子后的表面电荷布居(氧化还原性能)、态密度、光学性质以及吸附稳定性,讨论了4d金属杂质掺杂对金红石相SnO₂(110)表面光学气敏传感特性的影响。研究结果发现:各金属杂质对表面的氧化还原性能都有着不同程度的影响;4d电子在费米能级附近形成杂质峰,其中Ru-4d电子引入的杂质峰最大,离费米能级最近,对SnO₂的禁带宽度改善最大;Ru掺杂对于金红石相SnO₂(110)表面在可见光范围内(400~760 nm)的光学性质的改善相对于Mo、Rh、Ag掺杂也有着较大的优势;所有的掺杂表面都能自发吸附丙酮分子,吸附后稳定性为:Ru＞Rh＞Ag＞Mo。结论表明,Ru掺杂的SnO₂作为较为有效的丙酮光学气敏探测材料,有望通过探测人体呼出气体中的丙酮从而达到改善糖尿病的早期发现和诊断的效率。     

氢原子在过渡金属修饰的Mg(0001)面扩散的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFY)的第一性原理计算方法,对氢原子在过渡金属(Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、V、Zn)修饰的Mg(0001)表面扩散性能进行了研究.研究发现过渡金属元素Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu选择替代在镁表面第二层稳定,而Zn则选择替代在第一层稳定.当镁表面掺杂Zn和Cu时,氢原子选择停留在表面稳定;当掺杂Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni时,氢原子选择进入镁块体内部.值得一提的是氢原子通过从过渡金属顶部通道扩散进入镁块体内部的势垒大大降低,笔者用差分电荷密度分析后发现氢原子与过渡金属原子成键使扩散势垒降低.当氢原子进入镁块体内部后靠近Sc、Ti、V、Cu和Zn原子时,将与这些过渡金属原子成键,从而阻碍了氢原子继续向内部扩散;而氢原子靠近Cr、Mn、Fe、Co、Ni原子时,选择离开过渡金属从而促进了氢原子向块体内扩散,可以大幅改善镁基储氢材料的吸氢动力性能.     

基底温度控制方式对直流弧光放电PCVD金刚石膜的影响

如何精确、高效地实现对基底温度的测控,并获得优化的温度参数,对于CVD金刚石制备技术至关重要.本文采用自主研制的具有新型基底温度自动控制系统的直流弧光放电PCVD设备,分别进行了基底温度开环、闭环及开闭环复合控制下的金刚石薄膜制备研究,并采用SEM,激光Raman光谱仪对所制备薄膜的形貌品质进行了分析.研究结果表明:基底温控方式的不同会明显影响CVD金刚石膜的晶体、生长特征及品质,尤其造成了薄膜生长中二次形核密度以及非金刚石成分的显著变化;在保证系统稳定运行的前提下,当其它沉积参数恒定时,受控下的基底温度控制精度及控制品质的实时变化是影响CVD金刚石膜生长性能的主要因素,其中控制精度介于±5℃～±15℃间变化,而控制品质受控制方式的影响较大;相对于控制精度而言,控制品质的变化对常规金刚石薄膜生长性能的影响更为明显.对于此系统,只有采用开-闭环复合控制,且开环流量维持在其单独工作流量的20;时,才能保证基底温度控制精度、控制品质及所制备的CVD金刚石薄膜的质量最佳.     

高质量硼掺杂单晶金刚石同质外延及电学性质研究

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以三甲基硼为掺杂源,制备出表面粗糙度0.35 nm,XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec,拉曼光谱半峰全宽3.05 cm^-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量,实现了10¹⁶~10²⁰ cm^-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后,研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响,结果表明:在硼碳比20×10^-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm²/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量,降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时,样品空穴迁移率提升至 614 cm²/(V·s)。     

The preparation and characterization of silica gels doped with copper complexes

Silica gels doped with [Cu(C₅H₅N)₄]²⁺ (C₅H₅N = Py), CuCl₂-HOCH₂CH₂OH and Cu(CH₃COO)₂-NH₂(CH₂)₃Si-(OC₂H₅)₃ (CH₃COO = OAc, C₂H₅ = Et) have been prepared and examined by X-ray diffraction, electron spin resonance, transmission electron microscopy (TEM), thermal gravimetric analysis and Fourier transform infrared spectroscopy. Different dopants have different interactions with the silica alcogels depending on the chemistry of the dopants: [Cu(Py)₄]²⁺ forms chemical bonds with the hydroxyl oxygens on the surface of the silica matrix; in Cu(OAc)₂-NH₂(CH₂)₃Si(OEt)₃-doped alcogels, the siloamine enters into the sol-gel reaction and Cu(OAc)₂ coordinates to the -NH₂(CH₂)₃ ligand of the precursor. However, there is no evidence for bond formation between copper and the hydroxyl groups on the silica surface in the CuCl₂-HOCH₂CH₂OH-doped alcogels. The TEM images show a homogeneous and uniform distribution of copper particles on the reduced CuCl₂-HOCH₂CH₂OH- and Cu(OAc)₂-NH₂(CH₂)₃Si(OEt)₃-doped xerogel surface. The type of nitrogen adsorption isotherms of doped silica xerogels are unaffected by the dopant concentration. However, their surface areas do depend on the level of dopant. The microstructure of the silica matrix is primarily determined by the pH of the initial reactants, at least in the [Cu(Py)₄]²⁺-doped case.     

高功率CO2激光器CVD金刚石窗口制备研究

本文研究制备了可应用于高功率CO2激光器的CVD金刚石窗口.首先使用环形天线-椭球谐振腔式MPCVD装置沉积制备直径2英寸(1英寸=2.54 cm)金刚石自支撑膜,然后将膜片双面抛光,激光切割成矩形基片,再采用蒸镀法在基片表面制备中心波长在10.6μm的增透膜,最终制备得到金刚石光学窗口.采用傅里叶红外透射谱、热导仪、...     

Ti掺杂对Li-Mg-N-H材料储氢性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究了Ti掺杂对Li₂MgN₂H₂材料储氢性能的影响及作用机理,计算给出了杂质替换能、生成焓、能带结构、态密度、差分电荷密度及布居等。研究表明,Ti掺杂Li₂MgN₂H₂体系时,其倾向于替换其中的Mg原子,且当替换8c位置的Mg时,杂质替换能最低,晶体结构最为稳定。生成焓计算结果表明,Ti掺杂能够有效降低Li₂MgN₂H₂的结构稳定性,有利于其吸氢反应的进行。进一步结合电子结构分析发现,Ti掺杂使得Li₂MgN₂H₂材料的晶胞体积增大,能隙降低,同时Ti与N原子之间较强的相互作用使得Li—N和N—H键的成键峰峰值降低,键强减弱,这些因素均有利于Li₂MgN₂H₂材料吸氢动力学性能的提高。     

快离子导体Li1.5Y0.5Zr1.5(PO4)3包覆层对富镍三元正极材料电化学性能的影响

研发富镍低钴的先进正极材料是目前提高锂离子电池能量密度和降低电池成本的有效办法。然而,随着Ni含量的增加,富镍层状氧化物普遍存在前驱体合成困难、结构不稳定和界面活性高等一系列问题,阻碍了富镍层状氧化物正极材料的市场化推广。本文采用优化的共沉淀法制备出结构稳定的LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂(NCM811)正极材料,同时在NCM811材料表面均匀包覆快离子导体Li_1.5Y_0.5Zr_1.5(PO₄)₃涂层,以克服富镍层状氧化物界面结构不稳定和易受电解液腐蚀的难题。在4.5 V高截止电压下,改性样品0.2 C的放电比容量为214.2 mAh·g^-1,10 C的放电比容量高达158.8 mAh·g^-1,高于原始样品的203.7 mAh·g^-1(0.2 C)和82.7 mAh·g^-1(10 C)。同时,改性样品在4.3 V下经1 C循环200次后的容量保持率高达84.7%,高于原始样品(61.94%)。     

具有n-n型异质结的复合材料Bi2S3/MIL-125(Ti)光电性能研究

以硫代硫酸钠·五水合物(Na₂S₂O₃·5H₂O)、硝酸铋·五水合物(BiN₃O₉·5H₂O)为硫源和铋源,尿素(CON₂H₄)为结构导向剂,制备了纳米棒状结构的硫化铋(Bi₂S₃),使其原位生长在MIL-125(Ti)的笼状结构表面。PEC性能测试显示,在0.5 mol·L^-1的硫酸钠电解液(pH=6.0)中,Bi₂S₃/MIL-125(Ti)_0.07(MIL-125(Ti)加入量为0.07 g)的复合材料表现出最高的光电性能。光电性能的显著增强主要取决于Bi₂S₃/MIL-125复合材料的带隙重整效应,对紫外光以及可见光的吸收能力显著提高。但由于Bi₂S₃/MIL-125...     

碳酸钙掺杂对Ⅰb型金刚石沿不同晶面生长行为的影响

作为天然金刚石生长环境的碳酸盐,研究其掺杂对人造金刚石晶体生长行为的影响具有重要的学术价值。本文运用高温高压下的温度梯度法,将碳酸钙(CaCO₃)按照不同比例掺杂到金刚石合成腔体内的碳源中,用以研究其掺杂对金刚石分别沿(100)或(111)晶面生长行为的影响。利用光学显微成像对掺杂合成金刚石晶体形貌的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)面生长的金刚石晶形由塔状变为板状且出现了裂晶、连晶现象,晶体颜色先变浅再变黑,内部出现了包裹体;同样,沿(111)面生长的金刚石晶形由板状逐渐变为塔状且出现了裂晶、孪晶现象,晶体颜色逐渐变黑,内部包裹体增多。用激光拉曼光谱对掺杂金刚石晶体质量的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)或(111)面生长的掺杂金刚石的拉曼峰位偏移量均增大,半峰全宽均变大。这说明碳酸钙掺杂使得金刚石晶格畸变增加、内应力变大。本文对碳酸钙掺杂影响沿两不同面生长金刚石的晶形、颜色、内部质量等行为的成因进行了分析,为本课题后续研究奠定了基础。     

Ni、Mo共掺杂对SnO2材料性能影响的仿真研究

针对AgSnO₂触头材料存在的不足,采用基于密度泛函理论的第一性原理对SnO₂、Ni单掺杂、Mo单掺杂以及Ni-Mo共掺杂SnO₂材料进行了电性能与力学性质的研究,计算了各体系的形成能、能带结构、态密度、弹性常数等各项参数。结果表明,掺杂后的材料可以稳定存在,且仍为直接带隙半导体材料。与未掺杂相比,掺杂后体系的能带结构带隙值减少,其中Ni-Mo共掺杂时的带隙值最小,载流子跃迁所需能量减少,极大地改善了SnO₂的电性能;由弹性常数计算了剪切模量、体积模量、硬度等参数,其中Ni-Mo共掺杂时的硬度大幅降低,韧性增强,有利于AgSnO₂触头材料后续加工成型,且其普适弹性各向异性指数最小,不易形成裂纹。综合各项因素,Ni-Mo共掺杂能够很好地改善SnO₂的性能,为触头材料的发展提供了理论指导。     

On the use of remote RF plasma source to enhance III–V MOCVD technology

A remote RF (13.56 MHz) plasma source, assembled on a metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD) system, was used to investigate the processes of (a) cleaning and passivation of InP substrates with H atoms (H₂ plasmas), (b) deposition of InP epilayers from In(CH₃)₃ and PH_x radicals (PH₃/H₂ plasmas), and (c) deposition of InN on sapphire from In(CH₃)₃ and N atoms (N₂---H₂---Ar plasmas). From kinetic and spectroscopic ellipsometric in situ analysis, the removal of native oxide from InP surface was found to be complete, without surface damage (phosphorus depletion), at 230°C and 7 min of H atoms exposure. The growth of InP epilayers with PH₃ plasma pre-activation was successful (stoichiometric InP) even at low V/III ratio. During InN growth, the use of optical emission spectroscopy (OES) and of in situ ellipsometry (SE) was determinant for the process control.