【摘要】：基于傳統(tǒng)“試錯”法的材料研究效率低下,無法滿足當(dāng)前科技發(fā)展對新材料的迫切需求。材料基因工程是當(dāng)前材料科學(xué)發(fā)展的最前沿,其核心目標(biāo)是融合發(fā)展材料計算、高通量實驗和數(shù)據(jù)庫等技術(shù),實現(xiàn)材料研發(fā)效率的提升。其中,高通量實驗技術(shù)是材料基因工程的重要基礎(chǔ),包括高通量材料制備和高通量材料表征兩部分。其本質(zhì)是通過提高單位時間的實驗樣品數(shù)量,實現(xiàn)材料研發(fā)周期的大幅縮短。目前高通量表征技術(shù)已發(fā)展較為完善,基于光學(xué)的檢測方法可實現(xiàn)微納米級別微區(qū)的材料表征,而基于非接觸式探針的方法可以實現(xiàn)亞微米量級的材料表征。然而,高通量制備技術(shù)目前在實驗通量、制備速度和覆蓋的材料種類等方面仍有待提高。例如,發(fā)展較為成熟的高通量組合材料芯片技術(shù)對微區(qū)樣品的成分精度、樣品密度、熱處理工藝仍然存在諸多局限,極大的限制了材料實驗效率的進一步提升。其中,物理掩模陰影效應(yīng)、多物理場耦合效應(yīng)、以及疊層薄膜擴散不均勻等問題造成現(xiàn)有組合材料芯片制備的樣品成分誤差較大。隨著化石能源帶來的環(huán)境壓力日益嚴(yán)重,發(fā)展面向太陽能、風(fēng)能、鋰電池等新型產(chǎn)能和儲能技術(shù)的新能源材料成為了當(dāng)前新能源技術(shù)發(fā)展的重要任務(wù)。在新能源材料中,很大比例是以氧化物、硫化物和硒化物為代表的VIA族化合物,因此研發(fā)具有優(yōu)良性能的VIA族化合物能源材料就成為了當(dāng)前的研究熱點。目前,針對大多數(shù)氧化物、部分穩(wěn)定的硫化物和硒化物的高通量實驗方法已較為成熟,但是針對水氧敏感和熱穩(wěn)定性差的VIA族化合物材料的高通量實驗研究還鮮有報道,主要受制于其對制備過程要求苛刻,如Li_2S-GeS_2-P_2S_5(LGPS)偽三元硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料體系、La系稀土氧化物材料體系等。本文針對VIA族化合物新能源材料的高通量研究需求,分別研發(fā)了基于化學(xué)水浴沉積、真空離子束濺射鍍膜、串行真空磁控濺射鍍膜和真空電子束蒸發(fā)的組合材料芯片制備技術(shù),采用掃描X射線衍射和掃描微區(qū)阻抗測試等進行高通量檢測表征,采用聚類分析(Cluster analysis)等方法對高通量實驗數(shù)據(jù)進行了分析,并針對銻(Sb)摻雜CuIn_(0.6)Ga_(0.4)Se_2(CIGS)薄膜和鍺(Ge)摻雜的Li_2S-P_2S_5(LPS)薄膜樣品進行了高通量實驗研究的演示驗證。上述VIA族化合物材料體系具有熱穩(wěn)定性較差或水氧敏感性高等特點,具有一定代表性。常見氧化物體系亦可采用上述高通量實驗技術(shù)進行研究。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點包括以下幾個方面:1、研發(fā)面向敏感材料體系的新型高通量組合材料芯片制備技術(shù)。本文針對高通量組合材料芯片制備技術(shù)發(fā)展瓶頸,通過發(fā)展串行多靶磁控濺射方法、優(yōu)化離子束濺射靶材與基片位置、設(shè)計實時溶液離子濃度反饋控制機構(gòu)和調(diào)整多坩堝切換模塊與基底相對位置等,分別實現(xiàn)磁控濺射、離子束濺射、化學(xué)水浴沉積和電子束蒸發(fā)的均勻大面積薄膜制備(不均勻性小于3%)。通過對靶材背磁場、水浴溫度場、離子束束斑和電子束電磁場的物理場優(yōu)化,實現(xiàn)了磁控濺射、離子束濺射、化學(xué)水浴沉積和電子束蒸發(fā)的穩(wěn)定物理場分布。通過發(fā)展連續(xù)/分立掩模自動更換裝置、連續(xù)掩�？刂茩C構(gòu)、基片自動提拉旋轉(zhuǎn)控制機構(gòu)和移動掩模與基片旋轉(zhuǎn)模塊等實現(xiàn)了磁控濺射、離子束濺射、化學(xué)水浴沉積和電子束蒸發(fā)的成分可控分布。在此基礎(chǔ)上,研發(fā)了磁控濺射鍍膜組合材料芯片制備技術(shù)、離子束濺射組合材料芯片制備技術(shù)、電子束蒸發(fā)組合材料芯片制備技術(shù)和化學(xué)水浴沉積組合材料芯片制備技術(shù),分別實現(xiàn)了100步連續(xù)相圖組合材料芯片、64×64分立樣品組合材料芯片、最小步長25μm組合材料芯片和步長1 cm以上組合材料芯片的制備。此外,針對多層膜熱處理過程中擴散-結(jié)晶過程的臨界厚度和熱處理工藝問題,以及材料計算對模型數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確性需求,發(fā)展了一種梯度超晶格組合材料芯片制備工藝方法。2、基于高通量化學(xué)水浴沉積組合材料芯片制備技術(shù),以不同含量銻(Sb)元素摻雜對CIGS晶粒生長動力學(xué)影響為例,發(fā)展面向熱穩(wěn)定性差VIA族化合物新能源材料的高通量研究方法。本文通過對比Sb摻雜前后、不同熱處理溫度和不同Sb_2S_3制備順序樣品的表征結(jié)果,對Sb摻雜的CIGS吸收層薄膜材料物相、微觀結(jié)構(gòu)和成分等進行了研究。驗證了Mitzi等人發(fā)現(xiàn)的Sb摻雜可以降低CIGS吸收層薄膜的結(jié)晶溫度,并觀察到450℃以下熱處理(低于CIGS熔化溫度)CIGS晶粒尺寸明顯長大的實際證據(jù)。為了進一步探究Sb摻雜對CIGS晶粒生長的促進作用機理,本文基于自主研發(fā)的高通量化學(xué)水浴組合材料芯片制備技術(shù),制備了不同含量Sb摻雜的CIGS薄膜樣品,結(jié)合XRD、XPS、EDS和SEM等常規(guī)表征方法,以及掃描微區(qū)阻抗測試技術(shù)等高通量表征方法,系統(tǒng)研究了不同含量Sb摻雜對CIGS晶粒生長的影響。并基于上述結(jié)果,提出了一種Sb_2Se_3準(zhǔn)液相促進CIGS薄膜晶粒生長的動力學(xué)模型。3、基于高通量電子束蒸發(fā)組合材料芯片制備技術(shù),以Li_2S-GeS_2-P_2S_5三元硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料體系為例,發(fā)展面向水氧敏感VIA族化合物新能源材料的高通量研究方法。本文設(shè)計了基于三明治結(jié)構(gòu)的電化學(xué)測試芯片,可滿足Li_2S-GeS_2-P_2S_5三元材料在大氣和水溶液環(huán)境下的測試需求。本文基于高通量電子束蒸發(fā)組合材料芯片制備系統(tǒng)和電化學(xué)測試芯片,實現(xiàn)了Li_2S-GeS_2-P_2S_5三元組合材料芯片的制備,結(jié)合相關(guān)高通量表征和聚類分析數(shù)據(jù)處理,對Li_2S-GeS_2-P_2S_5三元體系物相和阻抗分布進行了研究。
【圖文】：

第一章 緒論第一章 緒論1.1 研究工作的背景與意義材料是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。縱觀人類文明發(fā)展史，每一次人類大的跨越式技術(shù)進步都與材料科學(xué)的巨大進步直接相關(guān)，例如鐵礦石熔煉技術(shù)的發(fā)明將人類從青銅時代帶到了鐵器時代，而硅基材料大規(guī)模提煉和制造技術(shù)的發(fā)展在 20 世紀(jì)70 年代又將人類帶入了信息時代[1]。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越迅速，從航空航天用的高能量密度鋰電池材料到耐高溫隔熱布料[2-10]，各個行業(yè)都對新材料的需求越發(fā)迫切。特別是在能源領(lǐng)域，隨著化石能源日漸枯竭，以及巨量碳排放造成全球氣候變暖的日漸嚴(yán)重，發(fā)展新型能源材料成為關(guān)系到人類生存和發(fā)展最重要的事情之一。

圖 1-2 傳統(tǒng)“試錯”實驗方法與材料基因工程方法對比[17]材料基因工程就是這樣一種近年興起的新思想和新技術(shù)，該技術(shù)可以從根本上加速材料研發(fā)的進程[13]（如圖 1-2 所示）。我國材料科學(xué)與西方發(fā)達國家相比起步較晚、起點較低，改革開放以來，，經(jīng)過幾代人的努力追趕，雖然取得了一定的成績，但是與美國等國家相比差距依然存在，而材料基因工程為我國材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了一個“彎道超車”的機會。我國在材料基因工程方面的研究，基本與美、歐同時起步，有助于實現(xiàn)我國材料科學(xué)的追趕和超越[14]。1.2 材料基因工程研究歷史與現(xiàn)狀1.2.1 材料基因工程1.2.1.1 簡介材料基因工程是新材料領(lǐng)域的重大前沿技術(shù)[15]，其實質(zhì)是數(shù)據(jù)驅(qū)動下的新材料研發(fā)，即將傳統(tǒng)上以“試錯”實驗為主的構(gòu)效關(guān)系研究轉(zhuǎn)變?yōu)榛诖髷?shù)據(jù)和人
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

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2 王海舟;汪洪;丁洪;項曉東;向勇;張曉琨;;材料的高通量制備與表征技術(shù)[J];科技導(dǎo)報;2015年10期

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本文編號：2674411