硅基贵金属膜材料的制备、形貌控制及性质分析

论文摘要

本论文研究了硅基贵金属膜材料的制备、形貌控制及其在光学、电学及催化等性能的应用研究。应用电化学方法如循环伏安法（CV）、电化学直流极化法及开路电位时间曲线（Ocp-t）,以及扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱等技术来研究所制膜材料的性质和分析金属的沉积机理,实现了由“材料制备”、“材料组成形貌分析”到“材料应用”的交叉、系统性研究。论文的主要内容如下:1.应用循环伏安法研究沉积在硅表面的Ag的阳极溶出行为,开展银在0.01mol/L AgNO3溶液对单晶硅微污染情况的研究。结果表明Ag的沉积速率是相当快的,几乎1s内就能完成。进一步计算沉积1s,10min及1h后硅表面金属银的表面覆盖量（Γ）,得出在该溶液硅表面得到的Ag层仅为一个单层。（参见第二章）2.电化学直流极化法和开路电位时间曲线（Ocp-t）技术研究了不同HF浓度下Ag在硅表面的无电沉积行为。这两种电化学测试结果及AFM结果都证明了HF浓度的增加促进硅表面能级的下降,进而有利于Ag的3D生长。本文根据混合电位理论推导了开路电位下降斜率(K-ΔE（OCP）/t)公式,并应用K-ΔE（OCP）/t的大小来评价金属沉积速率的快慢。K-ΔE（OCP）/t值与ICP-AES结果作了比较,表明沉积速率随HF浓度的增加而增加,但不是线性关系。最后应力（Stress）产生与释放机制用来解释实验结果。（参见第二章）3.用金属无电沉积技术在NH4F-AgNO3溶液50℃下,既制备有序树枝状Ag纳米晶又同时得到浅层多孔硅纳米层。自组装定位微观电解池模型和极限扩散聚合（diffusion-limited aggregation,DLA）过程解释Ag树枝纳米结构的生成过程,认为Ag树枝纳米结构是由于VW层小的纳米粒子连续不断的聚集生长而得到的。浅层均匀的多孔硅纳米结构显示了室温下可见光发光特性。表面增强拉曼散射光谱（SERS）的研究证明了这种负载在多孔硅表面的树枝状Ag膜是很好的SERS活性基体,具有高的拉曼增强效应。（参见第三章）4.枝状分级的Ag纳米树枝通过简单的置换反应制备,即将HF-AgNO3溶液滴在硅表面即可。实验中观察到树枝结构生长中的形貌多样性;Ocp-t曲线现场记录了硅/溶液的界面开路电位的表面,以揭示结构演变的过程;XRD表征所得沉积物的晶体结构;定位生长方向的选择取决于固/液界面能的理论和取向连接机理用于解释树枝结构生长中存在形貌多样性的现象。最后以罗丹明B（RB）为探针分子研究了这种树枝纳米Ag膜的SERS活性,表明这种简单的置换方法是制备SERS活性基底一种很有效的方法,可用于传感、选择性检测。（参见第三章）5.首先在HF-HAuCl4溶液50℃下用无电沉积技术制备硅基有序树枝状纳米Au膜,然后在其表面自组装2-巯基萘单分子膜。以铁氰化钾为电子转移探针试剂,单分子膜的电化学实验表明2-巯基萘分子并不能完全阻隔电子在Au膜与铁氰化钾间的转移;0.5mol/L NaOH溶液中的电化学脱附实验证明2-巯基萘分子是以形成Au-S键的化学吸附形式自组装在Au膜上。表面增强拉曼散射光谱证明树枝状纳米Au基底的自组装2-巯基萘单分子膜具有很高的表面拉曼增强效应。（参见第三章）6.应用无电沉积技术在HF溶液制备了VW结构和树枝结构的W掺杂Ag膜。通过比较与仅含有金属Ag相应结构的膜材料的沉积行为,发现在所得的Ag-W二元组成体系中Ag的沉积生长起主导作用,并不受钨酸根离子大的影响;提出了W元素掺杂的理论模型,即W元素的掺杂是在Ag的沉积过程中通过钨酸根二聚体中的O原子与金属银的化学吸附—形成Ag-O化学键而实现的。CV用于检测Ag与O间的化学键作用力的大小。高温空气中退火实验表明了所得到的Ag-W二元组成物质具有良好的抗氧化能力。（参见第四章）7.应用电沉积法导电玻璃（ITO）基体制备Pd/WO3组成膜材料,电解液为50mmol/L过氧化钨溶液+5wt.%十二烷基硫酸钠（SDS）+5mmol/L PdCl2。膜材料的形貌和组成由扫描电子显微镜、能量散射能谱、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射分析和表征。WO3对电催化氧化肼化合物的增强效应进行了研究,在Pd/WO3-ITO电极上肼氧化峰电流达10μA,是Pd-ITO电极的1.7倍,后者仅为62μA,主要原因归结于WO3的添加对Pd纳米粒子起到很好的分散作用。（参见第五章）8.循环伏安法用于电沉积硅基体Ag-W膜材料。不同SDS含量下Ag-W的电化学沉积行为及所得沉积物的微观结构分别进行了比较,发现当SDS含量达5wt.%时SDS由于沉淀作用大大地改善了Ag-W膜的微观结构;XPS表明所得沉积物中W元素的含量达3.4%,O/W原子比约为3.0;XPS和XRD结果证明了Ag-W膜在350℃下空气中不会被氧化。最后研究了膜材料的电阻率与沉积循环圈数的关系。（参见第五章）

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 硅的结构与性质
• 1.1.1 硅的基本性质
• 1.1.2 硅/溶液界面特性
• 1.1.3 硅表面的处理
• 1.2 金属纳米材料的制备与表征
• 1.2.1 纳米材料的分类
• 1.2.2 制备方法
• 1.2.3 表征方法
• 1.2.3.1 形貌分析
• 1.2.3.2 组成分析
• 1.2.3.3 电化学检测方法
• 1.2.3.4 光谱应用分析技术
• 1.3 纳米材料的基本特性与应用
• 1.3.1 纳米材料的基本特性
• 1.3.2 纳米材料的应用
• 1.4 硅表面金属的无电沉积行为
• 1.4.1 HF介质金属的无电沉积
• 1.4.2 金属沉积的成核与生长
• 1.4.3 混合电位理论
• 1.5 本论文选题思路和主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 电化学方法研究Ag在硅表面的无电沉积行为
• 2.1 循环伏安法研究银在p-Si（111）的微量污染
• 2.1.1 实验
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.1.2.1 Ag层上的CV行为
• 2.1.2.2 计算表面覆盖量
• 2.1.3 小结
• 2.2 电化学研究硅表面能级:HF浓度对Ag无电沉积行为的影响
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.2.2.1 电化学直流极化分析方法
• 2.2.2.2 开路电位时间曲线技术
• 2.2.2.3 沉积速率的研究
• 2.2.2.4 AFM表征
• 2.2.3 小结
• 参考文献
• 第三章 树枝结构Ag、Au纳米晶的制备及表面拉曼增强效应的研究
• 4F介质自组装树枝结构Ag纳米晶及浅层多孔硅PL特性的研究'>3.1 NH₄F介质自组装树枝结构Ag纳米晶及浅层多孔硅PL特性的研究
• 3.1.1 实验部分
• 3.1.2 结果与讨论
• 3.1.3 小结
• 3.2 树枝状纳米Ag结构演变过程中形貌的多样性及SERS研究
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.1.1 Ag纳米结构的生长
• 3.2.1.2 Ag纳米结构的表征
• 3.2.1.3 Ocp-t测量
• 3.2.1.4 SERS检测
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.2.1 形貌演变
• 3.2.2.2 Ocp-t曲线
• 3.2.2.3 XRD分析
• 3.2.2.4 结构多样性形成的机理
• 3.2.2.5 SERS应用
• 3.2.3 小结
• 3.3 树枝状纳米金表面自组装2-巯基萘分子膜的研究
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.2.1 硅基树枝状纳米金的制备与表征
• 3.3.2.2 树枝状纳米金表面自组装2-巯基萘分子膜
• 3.3.3 小结
• 参考文献
• 第四章 无电沉积Ag-W膜材料:元素掺杂方式的研究
• 4.1 HF溶液硅基体无电沉积Ag-W薄膜的研究
• 4.1.1 实验
• 4.1.2 结果与讨论
• 4.1.2.1 Ag-W膜的表征
• 4.1.2.2 比较Ag-W薄膜与Ag膜
• 4.2 无电沉积法制备树枝状W掺杂的Ag纳米晶
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 W元素掺杂的理论模型
• 4.4 本章结论
• 参考文献
• 3和Ag-W薄膜及其性能研究'>第五章 电沉积Pd/WO₃和Ag-W薄膜及其性能研究
• 5.1 前言
• 3薄膜的制备及其对肼化合物的电催化氧化'>5.2 Pd/WO₃薄膜的制备及其对肼化合物的电催化氧化
• 5.2.1 实验部分
• 3薄膜的制备'>5.2.1.1 Pd/WO₃薄膜的制备
• 5.2.1.2 表征
• 5.2.1.3 电催化活性的评价
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.2.3 结论
• 参考文献
• 5.3 十二烷基硫酸钠对电沉积法制得Ag-W薄膜结构特性的影响
• 5.3.1 实验
• 5.3.1.1 硅片预处理
• 5.3.1.2 电化学沉积过程
• 5.3.1.3 表征
• 5.3.2 结果与讨论
• 5.3.2.1 循环伏安行为
• 5.3.2.2 SDS对Ag-W膜结构特性的影响
• 5.3.2.3 组成分析
• 5.3.2.4 硅基Ag-W膜电阻率分析
• 5.3.3 小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 附录 Ⅰ主要缩略与对照表
• 附录 Ⅱ作者攻读博士期间发表论文情况
• 致谢