无氧条件下TiO_2薄膜界面光催化反应的XPS研究_杨喜昆
Ag在碱性介质中作氧还原催化剂综述
Ag在碱性介质中作氧还原催化剂综述 本文较为全面地归纳了氧还原反应中使用的各种银基催化剂：纯银、碳载银、银合金、银-过渡金属氧化物。论述了催化剂的机理、优缺点。此外，简要阐述了银基催化剂的一些合成方法，并介绍了催化剂的形貌、PH值、成分对氧还原反应的影响，最后对银基催化剂的研究现状进行了小结并指出今后可能应用的领域，展示出良好的应用前景。 一、在碱性介质中的ORR机理 在碱性溶液中，Yeager认为ORR主要有4e和2e两种反应途径： (1) 直接4e 反应途径 O2＋2H2O＋4e→4OH－ψ°＝0.401 V a (2) 2e-2e 逐步反应途径 O2＋H2O＋2e→ HO2－＋OH－ψ°＝－0.065 V b HO2－＋H2O＋2e→3OH－ψ°＝0.867 V c 中间产物HO2－或可发生歧化反应 2HO2－→2OH－＋O2 d 反应b, c合起来即是反应a, 因此这种反应途径又可叫做准4e反应途径或连续4e反应途径,其中, 反应c被认为是速控步骤. 如果ORR按2e-2e逐步反应途径进行, 则将主要面临两个问题: (1) 若反应c没有进行,则阴极反应的转移电子数减半, 能量密度降低; 而且电池的输出电压、功率性能也相应下降, (2)在碱性溶液中稳定的HO2－容易在催化剂的作用下发生反应d, 从而降低催化剂活性。所以, 能直接催化氧还原按反应a的途径进行就显得尤为重要; 另一方面, 考虑到燃料电池的实用化, 催化材料也应具有在碱性溶液中寿命长和制作成本低、储量丰富等特点, 而在上述的催化材料中,银是少数同时具有上述三项优点的催化材料之一。但是,
Ag 的这种4e反应途径与Pt还是有区别的,已有研究表明Ag在催化还原氧的过程中有过氧化氢产物, 在卤素离子的影响下, 这种现象就更加明显。除此之外, Ag不仅具有良好的耐碱性, 而且在碱性电解质中随着OH－升高(0.1～11.1 mol/L)反而能提升Ag的催化活性。比如: ORR还原产物为OH－而基本不生成HO2－, 当在较高浓度碱性电解质中Ag电极催化ORR的性能要优于Pt的催化性能, 且Ag的质量密度约为Pt的一半, 则同样的载量, Ag的比表面积将大于Pt, 有利于增大表观总电流。 1.PH值的影响 之前的研究表明，对于像Pt和Ag这样的金属，ORR的速率决定步骤是: O2a + e- O2- ; ψ°＝0.562±0.03V e 在Ag(111)表面，此步骤e的电势值在PH=0至13之间并不随PH值增大而改变，体现出PH 的独立性，导致e步骤的反应过电势η值只从PH=0的1.53V减小到PH=14的0.7V。在e步骤后，ORR发生的是直接生成OH-或者生成中间产物HO2-。我们可通过Tafel曲线来揭示这个现象：基于催化剂为Pt的过电势，Tafel曲线中出现了两个明显的区域：在低过电势区域中，曲线斜率为-60mV/dec，表现出-30mV/PH单元的依赖性；而在高过电势区域中，曲线斜率为-120mV/dec,并无PH值的依赖性。在低过电势区域，Tafel斜率-60mV/dec，是由ORR 中间产物的而引起的氧化物中间物覆盖在Pt催化剂表面，呈现出的是Temkin吸附等温线。在高电势区域，Tafel斜率为-120mV/dec，吸附主要由Langmur吸附等温线控制，在此电位之下，主要的氧化物都都消失。类似Pt，碱性电解质中，在Ag的表面发生ORR同样是4e 过程，反应顺序一样，Tafel曲线也同样具有两个明显的斜率区域，因此，基于实验数据，有利地证明Ag作为催化剂的机理和Pt类似。但不同的是在Pt催化剂中，Pt在低的过电势时呈现出强的PH值依赖性，而Ag却没有PH的依赖性。所以，当PH值升高时，更有利于许多
铂_石墨烯氧还原电催化剂的共还原法制备及表征
[Article] https://www.360docs.net/doc/2912799965.html, 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao ) Acta Phys.?Chim.Sin .2012,28(12),2879-2884 December Received:July 5,2012;Revised:September 13,2012;Published on Web:September 25,2012.? Corresponding author.Email:zfma@https://www.360docs.net/doc/2912799965.html,;Tel:+86-21-54742894. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (21073120,21176155)and Science and Technology Foundation of Shanghai Municipality,China (10JC1406900). 国家自然科学基金(21073120,21176155)及上海市自然科学基金(10JC1406900)资助项目 ?Editorial office of Acta Physico ?Chimica Sinica doi:10.3866/PKU.WHXB 201209252 铂/石墨烯氧还原电催化剂的共还原法制备及表征 王万丽 马紫峰* (上海交通大学化学工程系,上海200240) 摘要: 使用硼氢化钠共还原法制备40%(w )铂/石墨烯电催化剂用于氧还原反应.通过循环伏安测试发现,这 种方法制备所得铂/石墨烯催化剂对氧还原反应活性较铂/碳催化剂差,但稳定性有所提高.在稳定性测试中,铂/石墨烯电催化性能衰减为50%,较铂/碳(79%)好.X 射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)表征发现在铂/石墨烯催化剂中两者存在明显交互作用,这可能是阻止石墨烯再堆垛和防止铂颗粒团聚的主要原因.通过对单电池性能测试也发现铂/石墨烯催化剂更有利于电池长期稳定.关键词: 石墨烯;共还原法;电催化剂;氧还原反应;质子交换膜燃料电池 中图分类号: O646 Synthesis and Characteristics of Pt/graphene by Co-Reduction Method for Oxygen Reduction Reactions WANG Wan-Li MA Zi-Feng * (Department of Chemical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,P .R.China ) Abstract:40%(w )Pt/graphene composites were prepared by sodium borohydride chemical co-reduction,and were subsequently used as an electrocatalyst for oxygen reduction reactions.The electrocatalytic activity and stability was evaluated by cyclic voltammetry.The results indicated that the initial activity of Pt/graphene was lower than that of Pt/C due to the oxygen diffusion inhibition;however,the Pt/graphene showed superior durability characteristics.Degradation tests showed a 50%degradation of Pt/graphene,which was substantially less than that of Pt/C (79%).X-ray diffraction and transmission electron microscope results showed that the composite formed strong interactions between the platinum nanoparticles and the graphene supports.The graphene supports may also prevent the graphene sheets from folding or re-stacking,which would hinder platinum nanoparticles ?aggregation.The performance of a single cell was also tested,confirming an improvement in durability.Key Words:Graphene; Co-reduction method; Electrocatalyst; Oxygen reduction reaction; Proton exchange membrane fuel cell 1Introduction Gaphene has attracted great attention from researchers in both theoretical and applied chemistry in recent years.Its use has also been studied in capacitors,1,2lithium batteries,3-6and fuel cells 7-9because of its interesting properties,such as ultra-high surface area (there is a theoretical surface area of 2620 m 2·g -1for an isolated graphene sheet),special quantum proper-ties 10-13and so on. Proton exchange membrane (PEM)fuel cells have been de-veloped as a promising energy technology because of their in-herent advantages,such as simplicity,viability,and quick start-up,which give them of great potential in almost any con- 2879
氧化锆基催化剂的制备及其氧还原催化性能 研究进展
Advances in Material Chemistry 材料化学前沿, 2015, 3(4), 61-67 Published Online October 2015 in Hans. https://www.360docs.net/doc/2912799965.html,/journal/amc https://www.360docs.net/doc/2912799965.html,/10.12677/amc.2015.34007 文章引用: 汪广进, 刘海, 龚春丽, 程凡, 文胜, 郑根稳. 氧化锆基催化剂的制备及其氧还原催化性能研究进展[J]. 材 Study Progress on the Preparation and Catalytic Performance of Zirconia for Oxygen Reduction Reaction Guangjin Wang, Hai Liu, Chunli Gong, Fan Cheng, Sheng Wen *, Genwen Zheng College of Chemistry and Materials Science, Hubei Engineering University, Xiaogan Hubei Received: Nov. 12th , 2015; accepted: Dec. 26th , 2015; published: Dec. 29th , 2015 Copyright ? 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/2912799965.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Development of non-platinum catalysts for the renewable energy is urgent. Due to the excellent chemicaland electrochemical, zirconia is attracting abroad attention in the investigation of novel non-platinum catalysts. Therefore, this paper reviews the status of the preparation methods such as magnetron sputtering and dip-coating for zirconia, and summarizes the study progress of the non-stoichiometry zirconia, transition metal/non-transition metal doped zirconia, partially oxi-dized zirconium carbonitrides and pyrolyzed zirconium base chelates. At last, this paper also looks ahead at the development of zirconia based non-pltinum catalysts. Keywords Non-Platinum Metal Catalysts, Zirconia, Preparation Methods, Oxygen Reduction Reaction 氧化锆基催化剂的制备及其氧还原催化性能 研究进展 汪广进，刘 海，龚春丽，程 凡，文 胜*，郑根稳 湖北工程学院化学与材料科学学院，湖北 孝感 *通讯作者。
材料表面与界面课后思考题胡福增
第一章 1.试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力 （1）原因 液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。 （2）测试 ①毛细管上升法 测定原理 将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ (1) (1)式中γ为表面张力, r为毛细管的半径, h为毛细管中液面上升的高度,ρl为测量液体的密度,ρg为气体的密度( 空气和蒸气) , g为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小, 而且θ=0 时, 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr (2） ②Wilhelmy 盘法 测定原理
用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为: W总-W片=2γlcosφ 式中,W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l为薄片的宽度, 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角。 ③悬滴法 测定原理 悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为 式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O处的静压力。 定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl-ρg)gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径。若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表(界) 面张力。即可算出作为S的函数的1/H值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表(界)面张力。 ④滴体积法 测定原理
Fe-NC氧还原电催化剂的设计制备及性能研究
Fe-N/C氧还原电催化剂的设计制备及性能研究电化学氧还原反应在燃料电池和金属-空气电池等可再生能源储存和转换系统中扮演着重要作用。缓慢的氧还原反应动力学需要催化剂。到目前为止,铂贵金属是活性最高的氧还原催化剂。 然而,昂贵的价格,对甲醇和CO敏感和稳定性差阻碍其大规模广泛应用。为突破这个瓶颈,很多研究工作致力于探索具有高活性和稳定性的非贵金属催化剂。在已发现的不含贵金属的催化剂中,过渡金属和氮掺杂的碳材料(M-N/C)被认为 是特别有前途的氧还原催化剂,因为它们的元素丰度高、低成本、低环境影响和较高的活性。 本论文主要主要是针对铁和氮共掺杂碳材料的设计、合成和性能进行了深入研究。本论文具体内容如下:选择两端含吡啶氮的有机分子btcpb作为配体与铁(Ⅱ)配位,形成类似配位聚合物的配合物,在不需要外加碳载体的情况下,煅烧得到自支撑Fe-N/C催化剂。结果表明,700℃煅烧的催化剂(Fe-N/C-700)活性最好。 碱性条件下,半波电势840 mV,高于商业铂-碳催化剂;酸性条件下,起始电位和半波电位均可比与商业Pt/C催化剂。同时,该催化剂在碱性和酸性溶液中都显示了优异的循环稳定性和良好的甲醇耐受性能。除此之外,该材料充当锌-空电池的空气阴极,在5 mA cm-2电流密度时,电池的容量达到727 mA hg-1。 持续放电110 h,也没有明显电压损失,表明该材料具有很强的应用前景。报道了 Fe3C纳米颗粒修饰,金属铁和氮掺杂碳的复合物的简单高效大规模制备, 以铁-邻菲罗琳配合物和二氰二胺为前驱物,高温煅烧。800 ℃条件下得到的催化剂显示出极好的氧还原活性,碱性溶液中的起始电位和半波电位高达0.99和 0.86 V,远高于商业铂-碳。
氧还原催化剂的制备及电化学性能的研究
氧还原催化剂的制备及电化学性能的研究 摘要：随着环境问题越来越引起人们的关注，环境保护已成为可持续发展的核心。全球都致力于研究高效节能环保的新型能源。燃料电池是一种可以高效地将燃料和氧化剂转化为电能的发电装置。世界经济和科技的日益发展离不开能源。随着现代社会在工业、农业、科技、信息技术等各个方面的飞速发展，石油、天然气、煤等不可再生的常规能源消耗已经日渐殆尽，同时常规能源使用排放的有毒有害物质引发的环境问题、生态问题也随之加剧。因此，幵发新能源、环保能源具有重大深远的意义，势必成为当今科研的主流趋势。本文就氧还原催化剂的制备及电化学性能进行分析与研究 关键词：氧还原催化剂；制备；电化学性能 引言 氧还原反应是众多新型电池正极电极所发生的过程。促进其反应过程一直以来是电化学领域研究的侧重方向，故而开发和研究氧还原催化剂性能的工作显现出极高的科研价值和应用价值。做为众多电化学工作者的研究热点，电催化氧还原技术具备广泛的应用范围，长期以来，由于电化学催化氧还原技术在燃料电池、微生物燃料电池、高级电氧化技术、水处理等方面越来越多的应用，使化学修饰电极电催化领域得到普遍关注。催化剂在电极表面的氧还原反应中起到了非常重要的作用，制备一种高性能、低成本、对环境友好的催化剂是非常有价值的。 一、氧还原反应 在氧还原电极上，氧发生的还原反应是个复杂的过程，氧还原反应涉及4个电子及2～4个质子的转移，和0-0键的断裂，由于其复杂性，可以写出各种各样的反应机理。通常，依照中间产物过氧化氢（H2O2)的生成与否，其历程主要包括两类： 1.直接四电子反应途径：此类途径并没有可检测的过氧化氢。0-0键在吸附氧分子时断裂变为吸附氧原子MO，在酸性溶液中，氧分子持续得到四个电子还原为H2O，在碱性溶液中，还原为OH-。 在酸性介质中： 02+4H++4e →2H20, E=1.229V 在碱性介质中： 02+2H20+4e →40H，E=0.401V 2.间接二电子反应途径：在碱性溶液中，碳、石墨、金、汞等电极上02还原主要是此途径，其过程有中间产物过氧化氢生成，在氧分子吸附时先得到两电
材料表面与界面分析复习题
1表面、界面的定义与理解： 表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。 习惯上把固－气、液－气的过渡区域称为表面，而把固－液、液－液、固－固的过渡区域称为界面。根据物质的聚集态，表界面通常可以分为以下五类：固－气；液－气；固－液；液－液；固－固； 物理表面包括：理想表面、清洁表面、吸附表面 表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。 2 理想表面理论前提： ①不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；②不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；③不考虑外界对表面的物理-化学作用等；④认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。 3何为清洁表面？清洁表面获得方法？ 指不存在任何污染的化学春表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。 获得清洁表面的几种方法: ①在获得超高真空的同时获得清洁的表面。②用简单的加热方法去除表面的沾污。③在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。④对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如Ar+、Ne+）轰击表面而有效地清除污染。⑤对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。⑥在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。 4 根据原子结构的不同清洁表面分哪几种？图示说明（PPT） 弛豫表面：指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距d s和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。可能涉及几个原子层。 重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。 台阶结构：表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。由于晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布不均匀，加上在解理晶体对外力情况环境的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。它们由一些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成，称为台面－台阶－拐结（Terrace－Ledge－Kink）结构，简称台阶结构或TLK 结构。 表面偏析：杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。 吸附表面：在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。 5吸附类型有哪些？画图说明（PPT） 顶吸附；桥吸附；填隙吸附；中心吸附 6 典型材料的工程表面示意图及表面成分（PPT） 7 解释表面原子的压缩效应、驰张效应、起伏效应及双电层效应，并图示说明（PPT） 压缩效应：表面原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对表面原子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致表面原子向体内的纵向弛豫。 驰张效应：在少数晶体的某些表面发生原子向体外移动的纵向弛豫，造成了晶体的膨胀。这种情况多由于内层原子对表层原子的外推作用，有时也由于表面的松散结构所致。即表面层内各原子间的距离普遍增大，并且可波及表面内几个原子层，造成晶体总体在某一方向的膨胀。 起伏效应：对于半导体材料如Ge、Si等具有金刚石结构的晶体，可以在（111）表面上观察到，有的原子向体外方向弛豫，有的原子向体内弛豫。而且这俩种方向相反的纵向弛豫是有规律地间隔出现的，即有起有伏，称为起伏效应。 双电层效应：对于多原子晶体，弛豫情况将更加复杂。在离子晶体中，表层离子失去外层离子后，破坏了静电平衡，由于极化作用，造成了双电层效应。 8 什么是表面探针？用于表面分析的探针应满足的要求？ 一般地说，表面探针是利用一种探测束－－如电子束、离子束、光子束、中性粒子束等，有时还
氧还原催化剂研究进展
氧还原催化剂研究进展 摘要 虽然经过半个多世纪对研究,人们对氧电极反应取得了很多原子、分子水平上的认识,但是对氧还原的高超电势的起源、催化剂的氧还原活性与结构的内在关系等问题,?还没有清晰的认识。其主要原因是一方面氧还原反应是一个涉及4电子转移、多步骤的复杂反应,人们在研究中并没有仔细考究常用于研究纳米电催化剂的氧还原反应活性的薄膜旋转圆盘电极技术是否切实可靠。 非贵金属氧还原催化剂是近年来低温燃料电池最受关注的研究热点之一。本文回顾了燃料电池用非贵金属氧还原催化剂方面的研究进展，总结了提高催化活性和稳定性、降低催化剂制备成本、催化剂制备工艺和新型非贵金属氧还原催化剂设计等方面所取得的研究结果。对非贵金属氧还原催化剂亟待解决的问题和发展趋势提出自己的看法。 关键词：燃料电池；非贵金属催化剂；氧还原反应；电化学性能 Abstract However, no consensus on ORR mechanism and key factors which
limits ORR ki'netics has been reached so far.This is probably due to, on one hand, ORR is a reaction involves 4 electron, multiple step complex process, on the other hand, some misunderstanding exists on using thin film rotating disk electrode method, the key technique used for evaluating nanocatalysts activity for ORR. In recent years，non-precious metal oxygen reduction catalysts have gained particular interest for fuel cells. This paper presents the research progress of non-precious metal oxygen reduction catalysts with focus on the effort to improve the activity and durability of the catalysts，to decrease cost of the catalysts，and to develop novel non-precious metal catalysts. The urgent problems and future research focuses for non-precious metal oxygen reduction catalysts are also proposed. Key words：fuel cells；non-precious metal catalysts；oxygen reduction reaction；electrochemical performance 一、绪论 1.1氧还原电催化研究背景
材料表面与界面综述
材料表面与界面综述 表面技术是通过物理、化学工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的组织结构、化学成分和物理状态，使表面具有与基体材料不同的性能的技术。 材料表面技术的目的与作用有：（1）提高材料的表面损伤失效抗力。磨损和腐蚀是最重要的表面损伤失效形式，据统计，因磨损、腐蚀失效造成的经济损失分别可达国民经济总产值的1%～2%和4%～5%。绝大多数疲劳断裂也主要是从表面开始而逐渐向内部发展的。由于磨损、腐蚀和疲劳断裂是产品（零件）的最主要失效形式，而它们又主要是发生在材料表面或开始于材料表面，因此，通过表面技术，提高材料表面的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能，可有效地保护或强化零件表面，防止失效现象。（2）赋予材料表面某种（或多种）功能特性。这些功能包括电性能（如导电性、绝缘性），热学性能（如耐热性、热障性），光学性能（如反光性、吸光性及光致效应），电磁特性（如磁性、屏蔽性），声学性能及吸附、分离等各种物理性能和化学性能。（3）实施特定的表面加工来制造（或修复）零部件。如采用热喷涂、堆焊等表面技术修复已磨损或腐蚀的零件，用表面蚀刻、扩散等工艺制作晶体管及集成电路等。 表面技术的分类有：（1）表面覆层技术。按工艺特点，表面覆层技术包括各种镀层技术（电镀、化学镀等）、热喷涂技术、涂料涂装技术、陶瓷涂敷技术、化学转化膜技术、堆焊技术、气相沉积技术、着色染色技术等。其中电镀镀层材料可以是金属、合金、半导体等，基体材料也由金属扩大到陶瓷、高分子材料；电镀覆层广泛用于耐蚀、耐磨、装饰及其它功能性镀层（如磁性膜、光学膜）。而化学镀是在无外加电场的情况下，镀液中的金属离子在还原剂的作用下，通过催化在镀件（金属件或非金属件）表面上的还原沉积过程。从本质上讲，化学镀仍然是个电化学过程。化学镀在电子、石油、化学化工、航天航空、机械、汽车及核能等工业中已得到广泛应用。多元合金镀层如Ni-Cu-P、
材料表面与界面-习题含答案
N 』N A ”N A M A M 4 3.14 （7.79 时）3 "7 6.02 1023 乂6个 3 0.018 第一章 1、什么是You ng 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关 系？ 答：You ng 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自 由能丫 SV Y L , Y v 与接触角B 之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为： 丫 SV Y L = Y v COS 。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角B 的大小是判定润湿性好坏的依据，若0 =0.cos 0=1 液体 完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0v 0V 90°液体可润湿固体， 且0越小，润湿性越好；90°V 0< 180°,液体不润湿固体；0 =180；完全不润湿 固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气 温骤降至293K ，水气的过饱和度(P/Ps )达4,已知在293K 时，水的表面能力 为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3 ,试计算： (1) 在此时开始形成雨滴的半径。 (2) 每一雨滴中所含水的分子数。 ,P 2 M ln —— ----- 答: (1)根据 Kelvin 公式有 P ° RT R ' 开始形成的雨滴半径为: R= 2M RT 门n — P 0 将数据代入得: R 、2 O.。7288 0.018 十9 忙 m 8.314 293 997 In 4 (2)每一雨滴中所含水的分子数为 N=N A n ， n=m/M= ?V/M ，得
(完整版)薄膜材料与技术_试题A卷试题_答案
试题A 卷试题 答案 一、填空题 在离子镀膜成膜过程中，同时存在沉积和溅射作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积 薄膜的形成过程一般分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程 薄膜形成与生长的三种模式：层状生长，岛状生长，层状-岛状生长 在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V 只与 气体的压强P 和 电极距离 的乘积有关。 二、解释下列概念 1、气体分子的平均自由程 每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其统计平均值： 称为平均自由程， 2、饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压力。 3、凝结系数： 当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比。 4、物理气相沉积法：物理气相沉积法 (Physical vapor deposition)是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程 5、溅射：溅射是指荷能粒子轰击固体表面 (靶)，使固体原子(或分子)从表面射出的现象 三、回答下列问题 1、真空的概念？怎样表示真空程度，为什么说真空是薄膜制备的基础？ 在给定的空间内，气体的压强低于一个大气压的状态，称为真空 真空度 、压强、气体分子密度：单位体积中气体分子数；气体分子的平均自由程；形成一个分子层所需的时间等 物理气相沉积法中的真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等是基本的薄膜制备技术。它们均要求沉积薄膜的空间有一定的真空度。 2、讨论工作气体压力对溅射镀膜过程的影响？ 在相对较低的压力下，电子的平均自由程较长，电子在阳极上消耗的几率增大，通过碰撞过程引起气体分子电离的几率较低。同时，离子在阴极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气压较低而相对较小。这些均导致低压条件下溅射的速率很低。 在相对较低的压力下，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量较高，这有利于提供沉积时原子的扩散能力，提供沉积组织的致密性 在相对较高的压力下，溅射出来的靶材原子甚至会被散射回靶材表面沉降下来，因而沉积到衬底的几率反而下降 在相对较高的压力下，使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化 溅射法镀膜的沉积速率将会随着气压的变化出现一个极大值 n 221πσλ=
DLA模型模拟薄膜生长成核阶段的动态过程
ＣＨＥＭＩＣＡＬＡＮＤＭＡＴＥＲＩＡＬＳ 化工与材料 －６一－ ＤＬＡ模型模拟薄膜生长成核阶段的动态过程 胡月?王治丹 作者简介:胡月(１９９３－)?女?安徽蚌埠人?硕士研究生? (安徽理工大学材料科学与工程学院?安徽淮南２３２００１) 摘一要:为深入了解薄膜生长的机理?采用有限扩散凝聚(ＤＬＡ)模型?用Ｍａｔｌａｂ模拟出了薄膜生长成核阶段的动态过程?结果以动画形式显示出了薄膜生长的成核阶段微粒先进行随机行走?当其与已成核的团簇相遇时?便加入凝聚团簇?呈现出成核团簇逐渐成长的动态过程? 关键词:ＤＬＡ模型?薄膜生长?动态过程 中图分类号:ＴＰ３９１一一一一一文献标志码:Ａ一一一一一文章编号:１６７１－１６０２(２０１９)０２－０００６－０１ 一一１一引言 ＤＬＡ模型理论[１]自提出以来就受到很多学者的高度重视?不同 学科的学者们利用它来解释各自学科中的许多现象[２－４]?尤其在材 料科学中的运用更加广泛?高睿二谢淑云二陶继东[５]利用ＤＬＡ模型 理论模拟薄膜生长的过程?因为薄膜生长的过程是复杂的冗长的? 所以跟踪薄膜的生长过程是一项艰巨的任务?但是?几十年来?已 有很多国内外著名学者深入研究薄膜的生长过程[６－１０]? 模拟薄膜的动态生长过程能够从直观角度理解实验结果二观察 实验现象?能够解释外界环境因素对实验的影响?并且能够调控外 界因素来取得理想的实验结果?所以?本文利用ＤＬＡ模型?增加微 粒随机行走过程?模拟薄膜生长成核阶段的动态过程? ２一ＤＬＡ模型模拟薄膜生长的动态过程 图１一ＤＬＡ模型模拟薄膜生长动态过程的截图 图１为ＤＬＡ模型模拟薄膜生长动态过程的截图?首先同时出现 已由一定微粒数目微粒凝聚成的红色微粒集团和一随机行走的蓝色 微粒?当蓝色微粒与红色集团的相遇时?蓝色微粒就与红色微粒集 团聚集在一起?并且微粒颜色由蓝色变成红色?然后出现第二个蓝 色微粒?该蓝色微粒仍随机行走?当该蓝色微粒与已凝聚的红色凝 结核相遇时?蓝色微粒便会与两红色微粒凝聚在一起?并且变成红 色微粒?然后出现第三个二第四个二第五个 第ｎ个微粒重复上诉 过程?随着蓝色微粒数的增多?红色微粒集团在逐渐变大?并逐渐 变成类似于分枝形状的图形 ? 图２一ＤＬＡ模型模拟薄膜生长结束时的截图 一一图２为ＤＬＡ模型模拟薄膜生长结束时的截图?从图２可以看到 薄膜朝着不同的方向生长?生长方向随机?其形状类似于分叉 形状? ３一小结 随着计算机技术的发展?越来越来的研究者通过计算机来模拟 薄膜生长的过程?因为模拟薄膜的动态生长过程能够从直观角度理 解实验现象?能够解释外界环境因素对实验的影响?并且能够调控 外界因素取得理想的实验结果?为深入了解薄膜生长的具体机理? 采用有限扩散凝聚(ＤＬＡ)模型?用Ｍａｔｌａｂ模拟出了薄膜生长成核 阶段的动态过程?结果以动画形式显示出了薄膜生长的成核阶段微 粒先进行随机行走?当其与已成核的团簇相遇时?便加入凝聚团 簇?呈现出成核团簇逐渐成长的过程? 参考文献: [１]一ＷｉｔｔｅｎＴＭ.ＳａｎｄｅｒＬＭ.ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＨａｒｍｏｎｉｃＦｌｕｉｄＡｐｐｒｏａｃｈｔｏ ｌｏｗＥｎｅｒｇｙＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＯｎｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＱｕａｎｔｕｍＦｌｕｉｄｓ[Ｊ]. ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ?１９８１?４７:１４００－１４０８ [２]一李金林.ＤＬＡ分形结构成长过程的分析[Ｊ].青海师范大学 学报(自然科学版)?２００４?３:３－６ [３]一王浩鹏?赵凯?关止.基于ＤＬＡ模型的植物生长模拟研究 [Ｊ].微计算机信息?２００７?２３(８－３):２３４－２３６ [４]一李宏?温娟?王新华?等.应用ＤＬＡ模型模拟钢中夹杂物集 团凝聚[Ｊ].北京科技大学学报?２００６?２８(４):３４３－３４７ [５]一高睿?谢淑云?陶继东.ＭＡＴＬＡＢ平台下实现ＤＬＡ分形聚集 生长的模拟[Ｊ].西南师范大学学报(自然科学版)?２００５? ３０(１):８３－８６ [６]一金鹏康?王晓昌?郭坤.絮凝体的ＤＬＡ分形模拟及其分形维 数的计算方法[Ｊ].环境化学?２００７?２６(１):５－８ [７]一秦朝燕?邱祖明?陈文有.絮凝体的三维ＤＬＡ模型分形模拟 [Ｊ].南昌大学学报(工科版)?２０１０?３２(２):１２２－１２７ [８]一Ｂ.Ａ.Ｐａｉｌｔｈｏｒｐｅ?Ｅ.Ｇ.Ｇｅｒｓｔｎｅｒ.Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕ￣ ｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍａｍｏｒｐｈｏｕｓｃａｒｂｏｎｇｒｏｗｔｈ[Ｊ]?ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎ －ＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｏｌｉｄｓ?１９９５?１８９:２５８－２６３ [９]一Ｄ.Ｐ.Ｚｈａｎｇ?Ｚ.Ｘ.ＦａｎａｎｄＨ.Ｊ.Ｑｉ.Ｓｈａｏ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ ｇｒｏｗｔｈｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍｏｎｎｏｎ－ｐｌａｎａｒｓｕｂｓｔｒａｔｅ[Ｊ]?Ａｐ￣ ｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ?２００５?２４９?８４－９０ [１０]一王恩哥.薄膜生长的表面动力学(１)[Ｊ].物理学进展? ２００３?２３(１):１－５３
薄膜的生长过程
薄膜的生长主要包含以下三个基本过程： 首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物； 其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应； 最后，到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。 具体说来，基于辉光放电方法的PECVD技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体。在辉光放电的等离子体中，电子经外电场加速后，其动能通常可达10eV左右，甚至更高，足以破坏反应气体分子的化学键，因此，通过高能电子和反应气体分子的非弹性碰撞，就会使气体分子电离（离化）或者使其分解，产生中性原子和分子生成物。正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置衬底的下电极附近也存在有一较小的离子层电场，所以衬底也受到某种程度的离子轰击。因而分解产生的中性物依扩散到达管壁和衬底。这些粒子和基团（这里把化学上是活性的中性原子和分子物都称之为基团）在漂移和扩散的过程中，由于平均自由程很短，所以都会发生离子-分子反应和基团-分子反应等过程。到达衬底并被吸附的化学活性物（主要是基团）的化学性质都很活泼，由它们之间的相互反应从而形成薄膜。 2、等离子体内的化学反应 由于辉光放电过程中对反应气体的激励主要是电子碰撞，因此等离子体内的基元反应多种多样的，而且等离子体与固体表面的相互作用也非常复杂，这些都给PECVD技术制膜过程的机理研究增加了难度。迄今为止，许多重要的反应体系都是通过实验使工艺参数最优化，从而获得具有理想特性的薄膜。对基于PECVD技术的硅基薄膜的沉积而言，如果能够深刻揭示其沉积机理，便可以在保证材料优良物性的前提下，大幅度提高硅基薄膜材料的沉积速率。
(精选)表面及界面分析
材料分析化学 第十讲 表面与界面分析 朱永法 清华大学化学系 2003年12月16日 ftp://166.111.28.134 Port:20 User:lesson pass:lesson 前言－意义 表面与界面分析的意义 ?电子材料研究的必要 ?薄膜材料研究的必要 ?催化材料研究的必要 ?纳米材料研究的需要 ?表面与界面现象的普遍性 ?材料的性能：取决于表面与界面特征 前言－分类 ?X射线光电子能谱（XPS or ESCA） ?紫外光电子能谱（UPS) ?俄歇电子能谱（AES） ?低能离子散射谱（ISS） ?低能电子能量损失谱（EELS) ?二次离子质谱（SIMS) ?低能电子衍射（LEED) 前言－研究内容 ?表面元素成分及其化学状态 表面元素鉴定，存在化学状态，化学键合状态，定量情况 ?表面几何结构 原子的二维排列次序 ?表面的电子结构 电子能态密度分布等 ?表面上的原子运动 表面扩散，吸附以及反应等 表面分析信息 ?表面元素分析 ?表面元素的化学状态 ?表面与界面的半定量分析?元素与化学态沿深度方向 的分布分析 ?样品表面的选点分析 ?样品表面的线扫描分析 ?样品表面的元素面分布 ?价态电子结构分析 前言－特点 ?表面性 表面只占体相的很小部 分，10－10倍 ?表面单分子层的电离截面 很小。 要求有很高的灵敏度 ?表面上存在大量悬挂化学 健 其化学状态可能与体相 不同 前言－表面概念 ?表面分析，薄膜分析，体相 分析的比较 前言－常用分析方法 ?XPS（50%） ?AES（40%） ?SIMS（10%） ?其它主要用于专门研究 主要应用方面 X射线光电子能谱（XPS） ?X射线光电子能谱（XPS） 也被称作化学分析用电子能 谱（ESCA） ?在普通的XPS谱仪中，一 般采用的Mg Kα和Al Kα X 射线作为激发源，光子的能 量足够促使除氢、氦以外的 所有元素发生光电离作用， 产生特征光电子。由此可见， XPS技术是一种可以对所有 元素进行一次全分析的方 法，这对于未知物的定性分 析是非常有效的。 ?光电效应的发现 ?60年代开始研究仪器 ?70年代，商用仪器 ?多功能，小面积，自动化 XPS原理－光电离 ?X射线光电子能谱基于光电 离作用，当一束光子辐照到 样品表面时，光子可以被样 品中某一元素的原子轨道上 的电子所吸收，使得该电子 脱离原子核的束缚，以一定 的动能从原子内部发射出 来，变成自由的光电子，而 原子本身则变成一个激发态 的离子。 ?能级图和轨道示意图 XPS原理－电离截面 ?电离截面与激发能量的关 系 XPS原理－表面灵敏度 ?非弹性散射平均自由程 IMFP ?I=I0exp(-x/λ) ?IMFP与材料有关 ?IMFP还与电子动能有关 材料关系，能量关系图λ XPS取样深度 ?取样深度概念（L=3 λ） ?物理意义见图 XPS原理 ?取样深度与原子序数的关 系图 取样深度 ?金属：0.5－2nm ?无机物：1-3nm ?有机物：3-10nm ?与各种物质性质有关 光电子的结合能 ?在光电离过程中，固体物质 的结合能可以用下面的方程 表示： ?Ek = hν- Eb - φs （18.1） ?式中Ek ?出射的光电子 的动能, eV; ?hν?X射线源光子的能量, eV； ?Eb ?特定原子轨道上的 结合能, eV； ?φs ?谱仪的功函, eV。 ?谱仪的功函主要由谱仪材 料和状态决定，对同一台谱