LaMO3(M=Fe、Ni)纳米晶薄膜的制备及其在碱性水溶液中的电化学性能研究

摘要

钙钛矿型氧化物(ABO3)在碱性水溶液中具有一定的电化学反应活性，钙钛矿型氧化物作为高能镍氢电池的负极材料具有低成本、易活化、放电容量高等特点，但是这类氧化物的电化学反应动力学性能较差，目前对其电化学反应的机理还没有明确及系统的认识，本文采用射频磁控溅射法制备LaM(M=Fe、Ni)O3纳米晶薄膜，使用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)、四元探针等材料测试方法以及恒流充放电等电化学技术，研究了LaM(M=Fe、Ni)O3氧化物薄膜的晶体结构、微观形貌、成分分析和充放电性能。主要研究结果如下:
　　 研究了退火温度、退火气氛、厚度等工艺条件对LaNiO3薄膜的相组织、电阻率特性以及电化学充放电性能的影响规律。结果表明，退火温度对薄膜的微观组织和电阻率影响较大，随退火温度的升高，薄膜组织由未退火时的LaNiO2相逐渐转变为LaNiO3，900℃时则分解为La2NiO4相;随退火温度的增加，LaNiO3薄膜的电阻率呈先减小后增大的趋势，700℃时电阻率最低(1.59mΩ·cm);随薄膜厚度的增加，电阻率逐渐减小，当达到300nm时其电阻率变化已不明显;退火气氛介质对薄膜的电阻率影响较大，增加气氛中氧的浓度有利于降低LaNiO3薄膜的电阻率(1.06mΩ·cm)。LaNiO3薄膜电极在室温25℃时几乎无放电容量，但在60℃水浴环境时其放电曲线平台大大延长，表现出高的放电容量趋势;随充放电次数增加，薄膜电极充电曲线平台基本稳定在-1.1～-1.2V左右，但其放电曲线的平台随充放电次数的增加而逐渐降低。
　　 研究了退火温度、退火时间等工艺条件对LaFeO3薄膜的结构、形貌的影响规律。结果表明，随着退火温度的增加，LaFeO3薄膜逐渐由非晶态向晶体态转变，温度在600℃～800℃时，结晶化明显，LaFeO3薄膜的XRD图谱中的各个衍射峰与LaFeO3[Pbnm(62)]的标准衍射峰匹配，温度达到1000℃时，出现杂相。温度升高的过程也是应力释放的过程，薄膜表面龟裂的由微小的裂纹(600℃)到大面积翘曲(1000℃)。退火温度为800℃，退火时间在10min～2h范围内，都为正交钙钛矿结构，当退火时间1h-2h，裂痕已经布满整个薄膜的表面，未发生薄膜脱落。从截面图可以看出，随着退火温度和时间的增加，薄膜与衬底的结合力由于残余应力释放而减小。LaFeO3薄膜电极的在25℃和60℃的充电曲线都有有较宽的平台，但是平台压随着温度的变化而发生变化，25℃时，平台压维持在-1.45V左右，而当温度为60℃时，平台压维持在-0.85V左右;25℃时，没有出现放电平台，很快达到截止电位，60℃环境，较为缓慢的达到截止电位，放电容量增加。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 引言

1．2 Ni／MH电池的原理

1．3 Ni／MH电池的发展现状

1．4 钙钛矿型氧化物(ABO3)电极

1．4．1 钙钛矿型氧化物的基本结构

1．4．2 钙钛矿型氧化物作为储氢及电极材料的研究现状

1．5 钙钛矿型氧化物薄膜材料的研究现状

1．5．1 钙钛矿型氧化物薄膜材料的应用现状

1．5．2 薄膜材料的制备方法

1．6 磁控溅射法制备ABO3薄膜

1．6．1 溅射镀膜机理

1．6．2 辉光放电

1．6．3 溅射率

1．6．4 溅射机理

1．6．5 射频磁控溅射的镀膜机理

1．6．6 磁控溅射的特点

1．7 本实验的研究思路和研究内容

第2章 实验方法

2．1 磁控溅射设备及系统简介

2．2 原材料

2．3 LaM(Fe、Ni)O3薄膜的生长工艺

2．3．1 实验流程

2．3．2 实验条件的设计

2．3．3 薄膜样品的相结构、微观形貌和成分分析

2．4 薄膜样品的电阻率测试

2．5 薄膜样品的电化学测试

2．5．1 电极的制备

2．5．2 电化学测试装置及其测试方法

第3章 LaNiO3薄膜的制备及其特性研究

3．1 热处理对LaNiO3薄膜相结构的影响

3．1．1 退火温度对相结构的影响

3．1．2 退火气氛对LaNiO3薄膜相结构的影响

3．2 电阻率的变化

3．2．1 退火温度对的电阻率的影响

3．2．2 不同厚度对薄膜电阻率的影响分析

3．2．3 不同气氛对薄膜电阻率的影响

3．3 LaNiO3薄膜的形貌及成分分析

3．3．1 退火温度对LaNiO3薄膜表面形貌和成分影响

3．3．2 不同气氛下退火的表面形貌和成分分析

3．4 LaNiO3薄膜电极的充放电特性

3．5 本章小结

第4章 LaFeO3薄膜的制备及电化学性能的初步研究

4．1 LaFeO3薄膜的相结构

4．1．1 不同退火温度下相结构的分析

4．1．2 不同退火时间下相结构分析

4．2 LaFeO3薄膜的微观形貌和成分分析

4．2．1 不同退火温度的微观形貌与成分分析

4．2．2 不同退火时间的微观形貌与成分分析

4．3 LaFeO3薄膜电极的电化学性能

4．4 本章小结

总结

参考文献

致谢

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