酸诱导液相沉积GeO2的机制研究

摘要

本研究工作介绍了二氧化锗(GeO2)的性质及应用,尤其在传输二氧化碳(CO2)激光的空芯光纤中重要的应用价值。该工作中主要采用酸诱导液相沉积的实验方法,制备出纯GeO2晶体颗粒,进一步堆积成膜,从而应用于空芯光纤的管壁内膜。该工作主要研究GeO2溶解在溶剂中,以及在溶剂中析出晶体两个过程的反应机制。实验中首先分析了锗酸根离子前驱体中发生的化学反应。向前驱液中加酸后,会有GeO2晶体析出。通过控制初期的反应时间,观察生长出晶体颗粒的形貌,分析其晶体结构,以及表面活性剂对晶体形貌的影响,从而分析出液相沉积过程中,晶体析出生长的机制。由于在溶液中四方相GeO2的饱和溶解度远低于六方相的,因此四方相晶体首先在基片上析出,当溶液中溶质的浓度达到六方相饱和浓度时,六方相晶体才开始析出。
　　实验结果表明,一定的浓度范围内,六方GeO2可以和氨水溶液反应,得到透明稳定的锗酸根离子溶液,通过热重,红外分析,确定不同GeO2固含量溶液中发生的化学反应。向锗酸根离子溶液中加入酸后,可以使锗酸根离子逆向分解,产生GeO2溶质,当GeO2溶质浓度超过其饱和浓度时,便会在基片上面生长GeO2晶体,从而进一步生长成膜。晶体析出生长的过程中,首先是棒状的四方相GeO2晶体析出,随着沉积时间的延长,出现了立方体型的六方相GeO2晶体,并且四方相棒状颗粒也逐渐消失,最终完全被六方相所取代。由于在溶液中四方相的饱和溶解度较低,因此先于六方相析出沉积在基片上,而通过热力学计算,四方相转化成六方相是一个吉布斯自由能降低的过程,可以自发进行,因此四方相的GeO2晶体重新溶解在溶液中,最终以六方相晶体的形式析出。根据布拉维法则,四方相的GeO2晶体最终生长成为长方体型的棒状粒子结构。根据BFDH模型和HP模型,六方相的GeO2晶体最终生长成为立方体型的颗粒结构。在沉积反应液中加入表面活性剂PVP之后,会得到特殊的类似于纺锤体型的六方相GeO2颗粒,主要是因为PVP的特殊分子结构,与GeO2晶体的某些吸附能较高的晶面发生吸附作用,导致这些晶面生长速率降低,最终保留在晶体颗粒的表面,从而形成了类纺锤体型结构的颗粒。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 CO2激光的特点及局限性

1.2 红外空芯光纤的研究进展

1.3 Ge的性质及用途

1.4 GeO2的性质及用途

1.5 GeO2在空芯光纤中的应用

1.6 GeO2膜的制备方法

1.7 晶体生长理论模型

1.7.1 完整平滑面理论模型

1.7.2 非完整光滑面理论模型

1.7.3 粗糙界面理论模型

1.7.4 Bravias法则

1.7.5 PBC理论模型

1.8 有机物分子对无机物微观结构的影响

1.8.1 有机物分子对陶瓷材料微观结构的影响

1.8.2 有机物分子对半导体材料微观结构的影响

2 课题的意义目的及思路

第二章 锗酸根离子水溶液前驱体的合成及其反应机制的研究

2.1 主要试剂

2.2 实验所用的主要仪器

2.3 实验所需的主要测试方法

2.4 不同参数锗酸根离子前驱液的制备

2.5 结果与讨论

2.5.1 锗酸根离子溶液的稳定性

2.5.2 六方GeO2粉体在氨水中溶解过程的研究

2.5.3 锗酸根离子凝胶的综合热重分析

2.5.4 锗酸根离子凝胶的红外光谱分析

2.5.5 不同浓度锗酸根离子溶液的反应机理

2.6 本章小结

第三章 酸诱导液相沉积GeO2晶体的生长机制

3.1 主要试剂

3.2 实验所用的主要仪器

3.3 测试表征手段

3.4 不同参数的沉积样品的制备

3.5 结果与讨论

3.5.1 实验原理

3.5.2 晶体生长初期不同沉积时间GeO2的微观形貌

3.5.3 晶体生长初期不同沉积时间GeO2的晶体结构

3.5.4 不同形貌颗粒的晶体结构分析

3.5.5 GeO2晶体的生长机理

3.6 本章小结

第四章 PVP对酸诱导液相沉积体系中GeO2颗粒形貌的影响

4.1 主要试剂

4.2 实验所用的主要仪器

4.3 实验原理及方法

4.4 测试表征

4.5 结构与讨论

4.5.1 PVP的加入对GeO2晶体颗粒微观形貌的影响

4.5.2 不同形貌颗粒的TEM分析

4.5.3 PVP对晶体结构的影响

4.5.4 PVP对GeO2晶体生长的影响

4.6 本章小结

论文总结

今后工作的设想

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文