非晶态镁和镁基合金薄膜的快速氢致光电响应特性

摘要

覆盖Pd保护层的Mg和Mg基合金薄膜可随着吸收氢原子数量的变化在高反射金属态和透明半导体态之间可逆地转变，利用这一特性可以研制一些新型的光电器件，如传感器、节能窗等。然而，H在晶态Mg和Mg基合金中的扩散速率较低，导致了晶态薄膜存在光电响应时间长等问题。为了解决这一问题，本文利用非晶化的方法来提高H的扩散速率，并对非晶态Mg和Mg-TM薄膜的快速氢致光电响应特性进行了系统的研究。
　　采用磁控溅射法制备了厚度均为200nm的非晶态和晶态Mg薄膜，并在其表面原位沉积了一层15nm的Pd作为保护层。对比研究了晶态和非晶态Mg薄膜的光电响应特性，结果表明:在25℃、0.1 MPa氢压下加氢，非晶Mg薄膜经过110s可由不透明的金属态转变为透明的半导体态，透射率由0.8％上升至52.4％，电阻率由0.81mΩ·cm上升至7.14mΩ·cm;而晶态Mg薄膜在相同条件下仅能实现部分加氢，转变为暗黑吸收态。由此可见，非晶结构改善了Mg薄膜的光电响应特性。
　　为了加快非晶薄膜的响应性能，向非晶Mg薄膜中添加一定量的Ni制备MgNix薄膜(x=0.03-0.29)。系统地研究了Ni含量对非晶薄膜光电响应特性的影响，结果表明:
　　i）随着Ni含量由0.03增加至0.29，加氢后MgNix薄膜的透射率逐渐降低，透射光谱吸收边逐渐向红外移动，从而导致薄膜透明态时由无色转变为黄褐色。
　　ii）随着Ni含量由0.03增加至0.29，薄膜的光电响应时间呈现先减小再增大的趋势，其中非晶MgNi0.09薄膜的光电响应时间最短，通入氢气后非晶MgNi0.09薄膜在26 s内透射率由0.4％上升至43.2％，电阻率由1.65mΩ·cm上升为8.69mΩ.cm;通入空气后，经过22min可回到初始状态。
　　iii）通过同步测量Mg-Ni薄膜脱/加氢过程中的含氢量和透射率变化曲线，阐明了薄膜的反应机理。加氢过程中，H首先快速地扩散至薄膜内部，并以“固溶体相”的形式储存在Mg-Ni层中，随后再与Mg-Ni反应形成氢化物。脱氢过程中，透射率曲线与含氢量曲线同步降低，表明氢化物分解后H立即从薄膜中脱离。因此，非晶薄膜的快速光电响应特性归咎于非晶结构提高了H在薄膜内的扩散速率，使得变色反应的控速步骤由晶态薄膜的氢扩散转变为非晶薄膜的氢化物的形成与分解。
　　尽管非晶化改善了Mg-Ni合金薄膜的光电响应特性，但合金氢化物相的出现导致薄膜在可见光范围内失去了全透性。因为Ti与Mg不形成合金相，且Ti对MgH2的形成和分解具有一定的催化作用，本文采用Ti替代Ni来进一步改善非晶Mg薄膜的光电响应特性。实验结果表明:
　　i）MgTix薄膜透射率曲线的吸收边不受Ti含量的影响，薄膜在可见光范围内具有全透性，但透射率随着Ti含量的增加而逐渐下降;
　　ii）随着Ti含量由0.11增加至0.29，非晶MgTix薄膜的光电响应时间逐渐减小。其中，Ti含量最高的非晶MgTi0.29薄膜具有最快的光电响应时间，加氢后的11s内可由不透明的金属态转变为透明的半导体态，透射率由1.5％上升至20.2％，电阻率由12.4Ω/□上升至46.8Ω/□□;通入空气后，经过12 min可转变回到不透明的金属态。
　　iii）在非晶MgTix薄膜中，非晶结构加速了氢在薄膜内的扩散，使得氢原子能够在与Mg反应形成MgH2前扩散至薄膜内部;而Ti不会影响H的扩散速率，但显著地加速了氢化物的形成和分解过程，从而加速了非晶薄膜的光电响应特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 氢致变色薄膜的分类及研究进展

1．2．1 纯稀土薄膜

1．2．2 Mg-RE合金薄膜

1．2．3 Mg-TM合金薄膜

1．3 氢致变色的激励方式

1．3．1 气致变色

1．3．2 电致变色

1．3．3 化学致变色

1．4 氢致变色薄膜性能的改善

1．4．1 抗氧化性

1．4．2 循环寿命

1．4．3 光电响应特性

1．5 选题目的与研究内容

第二章 样品的制备与仪器分析

2．1 薄膜的制备

2．1．1 磁控溅射法

2．1．2 薄膜的制备过程

2．2 薄膜的表征方法

2．2．1 X射线衍射技术(XRD)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 透射电子显微镜(TEM)

2．2．4 台阶仪

2．2．5 电感耦合等离子光谱发生仪(ICP)

2．3 薄膜的性能测试

2．3．1 光学性能测试

2．3．2 电学性能测试

2．3．3 石英晶体微天平(QCM)测量含氢量

第三章 晶态和非晶态Mg／Pd薄膜氢致光电响应特性的对比研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 溅射功率对薄膜晶体结构的影响

3．3．2 薄膜的光学性能

3．3．3 薄膜的表面形貌

3．3．4 非晶化对薄膜光电响应特性的影响

3．4 本章小结

第四章 非晶态Mg-Ni／Pd薄膜的快速氢致光电响应特性

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．3．1 薄膜的成分及晶体结构

4．3．2 Ni对薄膜光学性能的影响

4．3．3 薄膜的光电响应特性

4．3．4 薄膜的循环性能及表面形貌

4．3．5 非晶态Mg-Ni薄膜的变色机制

4．4 本章小结

第五章 非晶态Mg-Ti／Pd薄膜的快速氢致光电响应特性

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 结果与讨论

5．3．1 薄膜的成分及晶体结构

5．3．2 Ti对薄膜光学性能的影响

5．3．3 薄膜的表面形貌

5．3．4 薄膜的光电响应特性

5．3．5 非晶态Mg-Ti薄膜的改善机制

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的主要结论

6．2 论文的创新点

6．3 研究工作展望

参考文献

攻读硕士期间论文、专利发表情况

致谢