MOCVD生长AlN/GaN化学反应路径的量子化学研究

应用量子化学的密度泛函理论,对MOCVD生长GaN/AlN薄膜的反应路径进行理论计算和分析,特别是针对Ⅲ族TMX(X=Ga,Al)与V族NH3的反应路径与温度的关系进行研究.计算结果表明:当温度T≤473.15 K时,反应自由能△G＜0,TMX与NH3自发生成配位加合物TMX∶ NH3;当T≥573.15 K时,△G＞0,TMX∶ NH3将重新分解为TMX和NH3.在473.15 K≤T≤573.15 K区间,将存在△G=0,即加合反应达到平衡,反应为双向可逆.随着温度的升高,从加合物变为氨基物DMX∶ NH2的反应概率加大.TMX和MMX的直接热解反应均需要高温激活,而DMX变为MMX则较容易发生.当T＞873.15 K时,DMGa变为MMGa的热解反应将自发进行;当T＞1273.15 K时,DMAl变为MMAl的热解反应将自发进行.在自由基CH3参与下,TMX→DMX(X=Ga、Al)的能垒仅为TMX直接热解能垒的一半,约为30 ～ 40 kcal/mol;在自由基H参与下,TMGa和TMAl的热解反应能垒更低,约为16～ 20kcal/mol.因此,自由基H的产生将大大促进TMX的热解.     

AlN的MOCVD生长中表面吸附的量子化学研究

利用量子化学的密度泛函理论(DFT),对AlN的MOCVD生长中表面反应前体MMAl、DMAlNH2分别在理想、NH2覆盖AlN (0001)-Al面的吸附进行研究.通过分析表面吸附位、吸附能、分波态密度图等,确定可能的稳定吸附结构和吸附倾向.研究发现:在理想和NH2覆盖的AlN(0001)-Al面,MMAl吸附在T4位和H3位,吸附概率相近,MMAl与表面形成3个Al-Al8键(理想AlN表面)或3个Al-N8键(NH2覆盖的AlN表面).在理想AlN表面,DMAlNH2吸附在Top-Top位,与表面形成N-Al8键和Al-Al8键;在NH2覆盖的AlN表面,DMAlNH2吸附在Top位,与表面形成Al-N8键.对比两种粒子在理想和NH2覆盖表面的吸附能,发现在理想表面DMAlNH2的吸附能大于MMAl,即DMAlNH2优先吸附;在NH2覆盖表面,MMAl的吸附能明显大于DMAlNH2,即MMAl优先吸附.     

GaN-MOVPE气相自由基反应的量子化学研究

利用量子化学的密度泛函理论(DFT),对TMG/NH₃/H₂体系中自由基参与的金属有机气相外延(MOVPE)反应进行计算分析,特别针对H、NH₂自由基对Ga(CH₃)₃(简称TMG)热解路径、氢解路径以及加合路径的影响进行研究。通过计算不同反应路径的吉布斯自由能差ΔG和能垒ΔG^*/RT,确定了自由基参与的气相反应在不同温度下不同的反应路径。研究发现:当T<683 K时,TMG与NH₃反应生成加合物TMG:NH₃。当T>683 K时,TMG:NH₃重新分解为TMG和NH₃。TMG在MOVPE温度下很难直接热解,在H自由基作用下则易热解产生Ga(CH₃)₂(简称DMG)、GaCH₃(简称MMG)和Ga原子。当T<800 K时,TMG与NH₃的氨基反应速率大于自由基参与的热解反应,故氨基反应占主导;当T>800 K时,自由基参与的TMG热解反应速率大于氨基反应,故热解反应占主导。氢解反应由于能垒很高,因此可忽略。TMG及其热解产物与NH₂自由基反应很容易产生氨基物。氨基物DMGNH₂可以与H自由基继续反应,最终生成表面反应前体GaNH₂。     

MOCVD生长AlN的化学反应-输运过程数值模拟研究

针对垂直转盘式MOCVD反应器生长AlN的化学反应-输运过程进行数值模拟研究,特别探讨了反应室高度、操作压强和加合物衍生的三聚物对AlN生长的化学反应路径的影响.研究结果表明,AlN在MOCVD生长中以Al(CH3)3和NH3的加合路径为主,Al(CH3)3的热解路径很弱;加合路径衍生的二聚物是薄膜生长的主要前体,三聚物是纳米粒子的主要前体;降低反应室高度,寄生反应减弱,热解路径加强,使生长速率增大;增大压强,寄生反应加剧,使生长速率下降;添加由三聚物参加的表面反应后,生长速率提高了近4倍,证明三聚物不参加薄膜生长,只是提供纳米粒子前体.     

喷淋式MOCVD反应器中AlN的生长速率和化学反应路径的数值模拟研究

利用数值模拟方法,结合反应动力学和气体输运过程,研究喷淋式MOCVD反应器中AlN的生长速率和气相反应路径与反应前体流量(NH3和H2)、进口温度、压强、腔室高度等参数的关系.研究发现:薄膜生长前体和纳米粒子前体的浓度决定了不同的生长速率和气相反应路径.在低Ⅴ/Ⅲ比(2000)、高H2流量(12 L/min)、高进口温...     

MOVPE生长GaN薄膜的表面吸附和扩散研究

利用量子化学计算方法,对MOVPE生长GaN薄膜的表面反应进行研究.特别针对反应前体GaCH3(简称MMG)在理想、H覆盖和NH2覆盖GaN(0001)面的吸附和扩散进行计算分析.通过建立3×3 超晶胞模型,优化计算了MMG在三种不同覆盖表面的稳定吸附位、吸附能和电子布居,搜寻了MMG在稳定吸附位之间的扩散能垒.计算结果表明:对于三种表面,MMG的稳定吸附位均为T4位和H3位,H3位比T4位略微稳定.MMG在NH2覆盖表面吸附能最大,在H覆盖表面吸附能最小,在理想表面吸附能居中.MMG中的Ga与不同的表面原子形成的化学键的键强的大小顺序为:Ga-N>Ga-Ga>Ga-H.相比于理想表面和H覆盖表面,MMG在NH2覆盖表面的扩散能垒最大,因此表面过量的NH2会抑制MMG的扩散.     

GaN的MOVPE生长中台阶表面吸附的 量子化学计算

利用量子化学的密度泛函理论,计算GaN的MOVPE生长中主要的表面反应前体NH3、GaCH3(简写为MMG)在GaN(0001)面台阶处的吸附特性,并与理想平台表面对比.结果表明,在台阶吸附时,NH3有分子吸附和分解吸附两种结构,MMG只有两种分子吸附结构.NH3分子吸附时,吸附能在台阶处大于在平台表面;NH3分解吸附时,吸附能在平台表面大于在台阶处.说明NH3在台阶处容易发生分子吸附,而在平台表面容易发生分解吸附.MMG在台阶处的吸附能均大于在平台表面,说明它们在台阶处吸附比理想表面更容易.     

Al2 O3晶型对K2 WO4/Al2 O3物化性质及催化合成甲硫醇的影响

采用等体积浸渍法改性制备了K2 WO4/Al2 O3催化剂,研究了载体Al2 O3晶型对K2 WO4/Al2 O3催化剂物化性质及催化合成甲硫醇的影响.借助XRD、SEM、EDS、BET及NH3/CO2-TPD等手段对不同催化剂的晶相组成、微观形貌、孔结构及表面酸碱性质进行了表征分析.结果表明,Al2 O3晶型对K2 WO4/Al2 O3催化剂晶相组成及微观形貌影响较小,但对孔结构及表面酸碱性质影响较大.与K2 WO4/η-Al2 O3和K2 WO4/θ-Al2 O3催化剂相比,K2 WO4/γ-Al2 O3催化剂具有更大比表面积及孔容(介孔比表面积为226.75 m2·g-1,总孔容为0.557 cm3·g-1),且表面仅有弱酸和弱碱中心(弱酸浓度为0.42521 mmol·g-1,弱碱浓度为0.44184 mmol·g-1).在反应温度370℃,反应压力1.0 MPa,H2 S流速4.9 mL·min-1,CH3 OH流速0.03 mL·min-1反应条件下,K2 WO4/γ-Al2 O3催化剂表现出优良催化性能,甲醇转化率和甲硫醇选择性分别达81.58;和87.05;,与K2 WO4/η-Al2 O3和K2 WO4/θ-Al2 O3催化剂相比,甲醇转化率分别提高了4.23;和19.42;,甲硫醇选择性分别提高了14.68;和7.85;.     

ZrO2对热压AlN陶瓷的显微结构与力学性能的影响

通过添加纳米ZrO2粉体,并结合Y2O3烧结助剂,采用热压烧结制备了AlN陶瓷.结果表明,加入ZrO2后,热压AlN陶瓷的物相包含AlN主相、Al5Y3O12晶界相以及ZrN新相.随着ZrO2的加入,热压AlN陶瓷的维氏硬度基本没有变化,然而其断裂韧性逐渐提高.这主要是由于添加的ZrO2与AlN发生高温反应生成了ZrN,导致AlN陶瓷从单一的沿晶断裂模式转变为包含沿晶和穿晶的混合断裂模式,强化了晶界,进而改善了断裂韧性.     

钙钛矿太阳能电池的制备工艺与光伏性能研究

设计和制备结构为FTO玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/CH3NH3PbI3吸收层/C电极的钙钛矿太阳能电池.采用两步法制备CH3NH3PbI3吸收层:首先通过旋涂技术制备PbI2薄膜,然后将PbI2薄膜在浓度为0.044 mol/L的甲基碘化胺/异丙醇(MAI/IPA)溶液中分别浸泡反应0.5 h、2.5 h、3.5 h和4.0 h后获得CH3NH3PbI3吸收层.研究了浸泡反应时间对CH3NH3PbI3吸收层的结构和形貌以及对电池光伏性能的影响.结果表明:PbI2薄膜在MAI/IPA溶液中反应后形成四方结构的CH3NH3PbI3晶粒,当浸泡反应3.5 h时,CH3NH3PbI3晶粒的平均尺寸最大,均匀性较好;XRD图谱中只有CH3NH3PbI3的特征峰,而PbI2的特征峰完全消失.同时,该条件下制备的钙钛矿太阳能电池的光伏性能最佳,其开路电压0.881 V、短路电流密度达到22.17 mA/cm2,光电转化效率6.79;,且在整个可见光区的光子-电子的转换效率接近50;.