本文選題：原子層沉積 + 氧化鈷　； 參考：《華中科技大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：近年來,原子層沉積技術(shù)(Atomic Layer Deposition,ALD)由于其薄膜厚度納米級精確可控、大面積沉積均勻性以及良好的三維臺階覆蓋性能等特點,在各個工業(yè)及科研領(lǐng)域受到越來越廣泛的重視。納米催化材料是近年來科學(xué)研究的前沿和熱點,ALD作為一種薄膜沉積技術(shù),在三維基底材料上均勻沉積具有催化活性的薄膜是其重要應(yīng)用之一。利用ALD技術(shù)能夠有效解決催化材料在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)上沉積不均勻的問題;通過對ALD沉積循環(huán)次數(shù)的調(diào)控可以有效控制生長催化劑材料的尺寸。而對于此項技術(shù)應(yīng)用的研究關(guān)鍵有兩點:1.開發(fā)新型ALD催化劑薄膜,理解其生長機理,為薄膜的應(yīng)用提供指導(dǎo)。2.采用合適的模板材料襯底,評估ALD薄膜在多孔三維結(jié)構(gòu)中的沉積覆蓋性能。針對這兩個關(guān)鍵科學(xué)問題,本論文主要研究集中在開發(fā)兩類具有催化活性的納米薄膜:氧化鈷(Co Ox)以及二元金屬氧化物鑭鈷氧(La Co Ox)薄膜上。針對ALD催化薄膜的實際應(yīng)用通常需要在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)上進行沉積這一特點,我們以三種多孔材料(陽極氧化鋁,陽極氧化鈦,擴孔金)為模板,評估其在多孔高深寬比結(jié)構(gòu)中的沉積均勻性,研究催化活性薄膜的沉積性能。主要研究成果如下:1.系統(tǒng)研究了所用的三種模板材料:多孔氧化鋁(AAO),多孔氧化鈦(Ti O2 NTs)以及多孔金(NPG)模板的實驗室制備,并利用SEM,TEM等表征手段對模板材料的形貌結(jié)構(gòu)進行測試,對比了三類模板材料的結(jié)構(gòu)特點;并且在傳統(tǒng)AAO直孔模板之上開發(fā)了新型具有三維魚骨狀結(jié)構(gòu)的模板,為后續(xù)薄膜在三維模板材料中沉積效果的評估做好鋪墊。2.系統(tǒng)研究了利用Co(Cp)2和O3作為前驅(qū)體,ALD沉積超薄氧化鈷膜的成分、微觀結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)晶性以及三維納米結(jié)構(gòu)的包覆性能與沉積工藝參數(shù)之間的關(guān)系。在整個ALD溫度窗口(150°C-250°C)內(nèi),薄膜的生長速率為0.37?/cycle,最初生長的薄膜的成分為Co3O4與Co O的混合物,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,穩(wěn)定生長之后薄膜的組分轉(zhuǎn)變?yōu)镃o3O4。在低的沉積溫度下(150°C),沉積的薄膜表面形貌平整連續(xù);提高沉積溫度之后(250°C),生長的薄膜不連續(xù)且表面為較大的孤立島狀顆粒。隨后我們研究了ALD-Co Ox在納米多孔金三維多孔結(jié)構(gòu)中的包覆性能,結(jié)果表明150°C下薄膜的包覆性能優(yōu)異,包覆厚度均勻可控(0.4?/cycle),50 cycles之后包覆膜表面平整;而在250°C下經(jīng)過200 cycles沉積之后并未形成連續(xù)的包覆層,而是孤立的晶化顆粒。基于以上實驗結(jié)果,我們提出影響超薄Co Ox膜生長的關(guān)鍵因素為以下兩點:形核位點數(shù)目以及薄膜的晶化速度,并歸納出ALD-Co Ox的前期生長模型,最終采用基底改性實驗驗證該模型。我們的研究結(jié)果表明可以通過改變實驗條件而調(diào)控超薄氧化鈷膜的形貌、成分以及包覆性能,并且能為進一步更好地利用ALD-Co Ox膜提供指導(dǎo)。3.以前期積累的ALD氧化鈷的生長特點作為指導(dǎo),在150oC沉積溫度下在多孔氧化鈦(Ti O2 NTs)基底上均勻沉積了一層Co3O4材料,首次報道了該種ALD-Co3O4/Ti O2 NTs的光解水(PEC)性能;利用SEM,TEM,XRD,UV-vis,I-V,EIS,XPS等測試技術(shù)手段研究了復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)、電學(xué)以及光電化學(xué)等方面的性質(zhì)及復(fù)合材料的能帶結(jié)構(gòu);利用理論模型計算氧化鈷薄膜的最佳包覆厚度,并用實驗結(jié)果進行驗證。研究結(jié)果表明,相比于純相Ti O2,Co3O4/Ti O2復(fù)合材料間形成的p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)有助于光生載流子的分離,并且能提高可見光的吸收能力;利用ALD方法制備的復(fù)合材料比利用液相合成方法具有更好的PEC性能;4 nm的Co3O4薄膜包覆厚度使復(fù)合材料具有最優(yōu)異的可見光下光解水性能,此條件下的光電流密度達到了90.4μA/cm2,相比于液相制備的Co3O4/Ti O2 NTs和純相Ti O2 NTs分別提高了3倍和14倍。4.采用2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸鑭(La(thd)3)與臭氧(O3)作為前驅(qū)體制備了氧化鑭(La2O3)薄膜,詳細的研究了ALD反應(yīng)的各個工藝參數(shù)(包括前驅(qū)體脈沖時間,清洗時間,沉積溫度等)對薄膜生長的影響,利用AAO模板測試La2O3的沉積保形性,結(jié)果表明:制備的La2O3薄膜內(nèi)部幾乎不含雜質(zhì)元素,并且薄膜在深寬比高達500:1的結(jié)構(gòu)中沉積保形性很好;最后以氧化鑭、氧化鈷的ALD沉積工藝為基礎(chǔ),采用交替脈沖法制備二元鑭鈷氧薄膜,通過調(diào)控脈沖次數(shù)比來控制薄膜中La,Co元素含量比,研究了不同元素比下薄膜對應(yīng)的表面形貌,發(fā)現(xiàn)鑭鈷氧薄膜隨著Co元素含量的增加,薄膜表面粗糙度有所增加。
[Abstract]:榪戝勾鏉，

本文編號：1751460