离子液体表面Au薄膜的微观结构及生长机理研究

摘要

本文采用真空热蒸发方法在离子液体表面成功制备了金薄膜系统，并深入系统地研究了此类薄膜系统的表面形貌、微观结构、表面粗糙机制及其生长机理，得到以下实验结果：
　　 (1)随着薄膜名义厚度d的增加，沉积在离子液体表面的金薄膜呈现出不同的形貌特征。在d≤0.5nm时，样品呈现分枝状或网状结构的凝聚体，其生长过程满足二阶段生长模型；在d＞0.5nm时，样品呈现分枝状凝聚体和紧致准圆形凝聚体共存的形貌。对准圆形凝聚体的研究发现：准圆形凝聚体的数密度N首先随d的增加迅速减少，之后逐渐趋于饱和；随着d的增加，准圆形凝聚体的平均直径Φm和总覆盖率S均逐渐增加，并满足e指数关系。我们认为，准圆形凝聚体的粗化机制主要有两种：一种是俘获沉积原子或原子团簇；另一种则为准圆形凝聚体之间的合并。此外，对分枝状凝聚体的研究发现，分枝状凝聚体的分枝宽度随d的增加线性增长，表明在沉积过程中组成分枝状凝聚体的纳米颗粒的扩散能力发生了变化。
　　 (2)利用原子力显微镜(AFM)对金薄膜微观结构的研究表明：分枝状和准圆形凝聚体均由尺寸在101nm量级的金属原子颗粒组成，且颗粒尺寸几乎不随薄膜名义厚度d变化；分枝状和准圆形凝聚体的平均高度h1和h2以及二者的差值(h1-h2)均随d的增加线性增加，表明分枝状凝聚体和准圆形凝聚体具有不同的生长机制。通过测量和分析不同名义厚度下金薄膜表面的方均根粗糙度wrms和一维功率频谱密度(1DPSD)，得到金薄膜的生长指数β=0.33±0.05，粗糙指数α随名义厚度d的增加，从α＜1变化到α＞1。表明离子液体表面的金薄膜是以表面扩散为主的有限生长模式，随着d的不断增加，表面粗糙机制从沉积初期的平衡粗糙生长机制演变成后期的不规则粗糙生长机制。
　　 (3)透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)分析表明沉积在离子液体表面的金薄膜为多晶结构，晶粒的平均尺寸约为3.7±0.1nm；且随着薄膜名义厚度的增加结晶度有所提高。
　　 本文各章节主要内容安排如下：
　　 第一章：简要介绍了薄膜生长初期的基本理论以及不同基底表面薄膜的研究进展，综述了薄膜表面粗糙机制的研究现状。
　　 第二章：阐述了本实验的基本原理及各种样品的制备方法。
　　 第三章：研究了离子液体表面金薄膜的表面形貌、微观结构和表面动力学标度行为规律，得到了离子液体表面金薄膜的生长机理。
　　 第四章：概括了本文主要研究结果，并对进一步的研究方向进行分析和展望。