原子层沉积氧化钴、镧钴氧薄膜及在三维孔道中沉积工艺研究

发布时间：2018-04-14 23:17

  本文选题：原子层沉积 + 氧化钴　； 参考：《华中科技大学》2015年硕士论文

【摘要】：近年来,原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)由于其薄膜厚度纳米级精确可控、大面积沉积均匀性以及良好的三维台阶覆盖性能等特点,在各个工业及科研领域受到越来越广泛的重视。纳米催化材料是近年来科学研究的前沿和热点,ALD作为一种薄膜沉积技术,在三维基底材料上均匀沉积具有催化活性的薄膜是其重要应用之一。利用ALD技术能够有效解决催化材料在三维复杂结构上沉积不均匀的问题;通过对ALD沉积循环次数的调控可以有效控制生长催化剂材料的尺寸。而对于此项技术应用的研究关键有两点:1.开发新型ALD催化剂薄膜,理解其生长机理,为薄膜的应用提供指导。2.采用合适的模板材料衬底,评估ALD薄膜在多孔三维结构中的沉积覆盖性能。针对这两个关键科学问题,本论文主要研究集中在开发两类具有催化活性的纳米薄膜:氧化钴(Co Ox)以及二元金属氧化物镧钴氧(La Co Ox)薄膜上。针对ALD催化薄膜的实际应用通常需要在三维复杂结构上进行沉积这一特点,我们以三种多孔材料(阳极氧化铝,阳极氧化钛,扩孔金)为模板,评估其在多孔高深宽比结构中的沉积均匀性,研究催化活性薄膜的沉积性能。主要研究成果如下:1.系统研究了所用的三种模板材料:多孔氧化铝(AAO),多孔氧化钛(Ti O2 NTs)以及多孔金(NPG)模板的实验室制备,并利用SEM,TEM等表征手段对模板材料的形貌结构进行测试,对比了三类模板材料的结构特点;并且在传统AAO直孔模板之上开发了新型具有三维鱼骨状结构的模板,为后续薄膜在三维模板材料中沉积效果的评估做好铺垫。2.系统研究了利用Co(Cp)2和O3作为前驱体,ALD沉积超薄氧化钴膜的成分、微观结构、薄膜结晶性以及三维纳米结构的包覆性能与沉积工艺参数之间的关系。在整个ALD温度窗口(150°C-250°C)内,薄膜的生长速率为0.37?/cycle,最初生长的薄膜的成分为Co3O4与Co O的混合物,随着循环次数的增加,稳定生长之后薄膜的组分转变为Co3O4。在低的沉积温度下(150°C),沉积的薄膜表面形貌平整连续;提高沉积温度之后(250°C),生长的薄膜不连续且表面为较大的孤立岛状颗粒。随后我们研究了ALD-Co Ox在纳米多孔金三维多孔结构中的包覆性能,结果表明150°C下薄膜的包覆性能优异,包覆厚度均匀可控(0.4?/cycle),50 cycles之后包覆膜表面平整;而在250°C下经过200 cycles沉积之后并未形成连续的包覆层,而是孤立的晶化颗粒。基于以上实验结果,我们提出影响超薄Co Ox膜生长的关键因素为以下两点:形核位点数目以及薄膜的晶化速度,并归纳出ALD-Co Ox的前期生长模型,最终采用基底改性实验验证该模型。我们的研究结果表明可以通过改变实验条件而调控超薄氧化钴膜的形貌、成分以及包覆性能,并且能为进一步更好地利用ALD-Co Ox膜提供指导。3.以前期积累的ALD氧化钴的生长特点作为指导,在150oC沉积温度下在多孔氧化钛(Ti O2 NTs)基底上均匀沉积了一层Co3O4材料,首次报道了该种ALD-Co3O4/Ti O2 NTs的光解水(PEC)性能;利用SEM,TEM,XRD,UV-vis,I-V,EIS,XPS等测试技术手段研究了复合材料的晶体结构、形貌、光学、电学以及光电化学等方面的性质及复合材料的能带结构;利用理论模型计算氧化钴薄膜的最佳包覆厚度,并用实验结果进行验证。研究结果表明,相比于纯相Ti O2,Co3O4/Ti O2复合材料间形成的p-n异质结构有助于光生载流子的分离,并且能提高可见光的吸收能力;利用ALD方法制备的复合材料比利用液相合成方法具有更好的PEC性能;4 nm的Co3O4薄膜包覆厚度使复合材料具有最优异的可见光下光解水性能,此条件下的光电流密度达到了90.4μA/cm2,相比于液相制备的Co3O4/Ti O2 NTs和纯相Ti O2 NTs分别提高了3倍和14倍。4.采用2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸镧(La(thd)3)与臭氧(O3)作为前驱体制备了氧化镧(La2O3)薄膜,详细的研究了ALD反应的各个工艺参数(包括前驱体脉冲时间,清洗时间,沉积温度等)对薄膜生长的影响,利用AAO模板测试La2O3的沉积保形性,结果表明:制备的La2O3薄膜内部几乎不含杂质元素,并且薄膜在深宽比高达500:1的结构中沉积保形性很好;最后以氧化镧、氧化钴的ALD沉积工艺为基础,采用交替脉冲法制备二元镧钴氧薄膜,通过调控脉冲次数比来控制薄膜中La,Co元素含量比,研究了不同元素比下薄膜对应的表面形貌,发现镧钴氧薄膜随着Co元素含量的增加,薄膜表面粗糙度有所增加。
[Abstract]:杩戝勾鏉，

本文编号：1751460