MOCVD源化合物的制备与性能表征

摘要

金属有机物化学气相淀积(MOCVD)是近年来迅速发展起来的一种无机材料薄膜制备技术。因其具有淀积温度低、生长速率快、组成易于控制、薄膜质量好等突出优点，而广泛应用于包括半导体器件、光学器件、气敏元件、超导薄膜材料、铁电/铁磁薄膜、高介电材料等多种薄膜材料的制备。 获得合适的金属有机前驱物及其性质是决定MOCVD技术应用成败的关键，过程的重复性以及薄膜质量很大程度上取决于金属有机前驱物的热分解行为。应新型固体氧化物电池(SOFCs)能源技术发展的需要，本论文着重研究采用MOCVD技术制备SOFCs电极以及连接材料，所需要的金属有机源物质——β-二酮螯合物的合成及性能表征，采用的β-二酮为2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮(DPM=dipivaloylmethanate，2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato)。 论文第一章简单介绍了MOCVD技术及其应用，主要介绍了MOCVD技术对金属有机源化合物性质的要求，目前广泛使用的各种源物质及性能特点，以及金属有机源化合物的发展趋势，特别是β-二酮类金属螯合物源化合物的现状。同时简要介绍了SOFCs技术及关键材料。 第二章是关于β-二酮，DPM(DPM=2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)及其金属螯合物的结构特点及其性能的表征方法。 第三章是关于Fe(DPM)3前驱物的合成及性能研究。采用HDPM、NaAc和FeCl3为起始物质，在醇/水体系中成功制备了Fe(DPM)3螯合物。利用元素分析、原子吸收、红外光谱对合成的产物进行了鉴定和结构分析。结果与理论计算结果非常吻合，产物纯度较高，不含结晶水。对产物的热分析结果表明合成的产物具有较高的挥发性。用质谱研究了Fe(DPM)3的热解机理。并且用合成的Fe(DPM)3作为源采用AA-MOCVD技术在多晶α-Al2O3衬底上淀积了α-Fe2O3薄膜。 第四章是关于Co(DPM)3前驱物的合成及性能研究。采用HDPM、NaAc、CoCl2·6H2O和H2O2为起始物质，在醇/水体系中成功制备了Co(DPM)3螯合物。并对合成的产物的纯度、结构、热稳定性、挥发性等性能进行了分析和表征。并用质谱研究了Co(DPM)3的热解机理。此外，研究了不同比例的醇/水溶剂对合成产物的性能的影响，分析发现，随着醇/水比例的增大，产物的产率有明显增高的趋势，优化条件下，产率达到了73％。醇/水比例的不同对产物的结构和纯度影响很小。 第五章是关于Cr(DPM)3前驱物的合成、性能及气化动力学的研究。采用HDPM、Cr(NO3)3·9H2O和尿素为起始物质，在醇/水体系中成功制备了Cr(DPM)3螯合物。并对合成的产物的纯度、结构、热稳定性、挥发性等性能进行了分析和表征。用质谱研究了Cr(DPM)3的热解机理。此外，以Cr(DPM)3作为Cr的先驱物，实施了MOCVD过程，成功的制备了SOFCs的连接材料LaCrO3薄膜。 第六章是关于Pr(DPM)3前驱物的合成及性能研究。采用HDPM、NaOH、PrCl3为起始物质，在醇/水体系中成功制备了Pr(DPM)3螯合物。并对合成的产物的纯度、结构、热稳定性、挥发性等性能进行了分析和表征。并用不同温度条件处理的样品的红外吸收光谱研究了Pr(DPM)3的热解机理。作为应用的示例，采用以Pr(DPM)3为源的MOCVD过程，在Si衬底上合成了氧化镨薄膜。 第七章是关于Mn(DPM)3前驱物的合成及性能研究。采用HDPM、NaOH、Mn(NO3)2为起始物质，在醇/水体系中成功制备了Mn(DPM)3螯合物。并对合成的产物的纯度、结构、热稳定性、挥发性等性能进行了分析和表征。根据不同温度段的质谱图研究了Mn(DPM)3的热解机理，详细分析了不同金属DPM螯合物的分解机理与金属离子的半径的关系。并且对Mn(DPM)3的气化动力学进行了研究。 最后对本论文研究的主要内容及所取得的成果作了简要的总述，并对今后可能的研究方向进行了展望和提出了建议。 综上所述，本论文针对发展新型SOFCs制备技术的需要，合成并系统研究了新颖MOCVD技术制备其关键材料所需的金属有机化合物。论文工作中对Fe，Co，Cr，Pr，Mn等金属β-二酮类螯合物的合成条件进行了改进和优化，采用元素分析、热分析技术、红外光谱、质谱、核磁共振等分析技术分析了合成源物质的纯度、热挥发性能以及热分解机理。值得一提的是，本论文工作中所制备的前驱物已经成功地应用于MOCVD技术制备SOFCs的关键材料，同时，系统的前驱物性能分析也为制备参数的优化提供了非常有效的指导。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 MOCVD概述

第二章金属DPM螯合物的结构特征及其性能表征技术

第三章Fe(DPM)3的制备与性能表征

第四章Co(DPM)3的制备与性能表征

第五章Cr(DPM)3的制备与性能表征

第六章Pr(DPM)3的制备与性能表征

第七章Mn(DPM)3的制备与性能表征

结束语

攻读硕士学位期间发表的学术论文