磁控溅射LaNi5薄膜氢敏特性研究

论文摘要

氢气作为新型清洁能源是人们追求环境和能源和谐统一的最佳选择。随着氢气在工业中大量生产和应用,研制出性能良好、结构简单的氢敏传感器成为人们关注的课题。LaNi5是一种CaCu5型六方晶体结构的金属间化合物,在常温附近具有良好的可逆的吸/放氢特性,因此在储氢方面已得到广泛的应用。目前关于LaNi5氢敏材料的研究报道极少见,LaNi5的气敏机理为表面电阻控制型,采用薄膜材料适合制作传感元件,且晶格受到衬底的束缚,吸氢过程中晶格膨胀受到限制而克服了反复吸放氢后粉化的问题。本文采用磁控溅射法在硅衬底上沉积缓冲层Ni膜,然后在Ni膜上沉积LaNi5薄膜,借助XRD、 SEM技术研究了沉积条件对薄膜生长的影响,得到优化的工艺参数为气压0.6Pa,靶基距35mm,衬底温度350℃和沉积功率150W。经过表面处理后的LaNi5薄膜制作成传感元件,在自行设计搭建的平台上测试其氢敏特性,结果表明,700℃退火处理后的LaNi5合金膜具有直接吸放氢的能力,且响应时间和恢复时间较短,氢敏响应特性较好。与氟化法和表面包覆Pt的方法比较,700℃退火处理更有利于LaNi5薄膜的氢敏性能。通过XRD、 SEM、 EDS和XPS等方法分析了退火前后LaNi5薄膜的晶相结构和表面成分,发现退火后LaNi5合金膜比表面积增加,表层形成了La2O3—Ni结构,分析了该结构对其氢敏特性的影响,并从氢原子在LaNi5晶格中的作用等方面解释了吸氢后电阻上升和放氢后电阻下降的原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 氢敏材料的研究现状
• 5'>1.3 储氢材料LaNi₅
• 5合金'>1.3.1 LaNi₅合金
• 5的储氢性质'>1.3.2 LaNi₅的储氢性质
• 5储氢性质的研究现状'>1.3.3 LaNi₅储氢性质的研究现状
• 5的氢敏性质的研究前景'>1.3.4 LaNi₅的氢敏性质的研究前景
• 1.4 本文的研究内容
• 5薄膜的制备及表征'>第二章 LaNi₅薄膜的制备及表征
• 2.1 射频溅射原理及装置
• 2.2 薄膜微观结构的表征
• 2.2.1 X射线衍射方法（XRD-X-ray diffraction）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM-Scanning electron microscope）
• 2.2.3 X射线光电子能谱（XPS-X-ray photoelectron spectroscope）
• 2.3 实验方案设计
• 5薄膜'>2.4 制备缓冲层Ni膜和LaNi₅薄膜
• 2.4.1 射频磁控溅射制备Ni膜
• 5薄膜制备'>2.4.2 LaNi₅薄膜制备
• 5薄膜的生长规律研究'>第三章 LaNi₅薄膜的生长规律研究
• 3.1 薄膜的生长
• 5薄膜的影响'>3.2 衬底温度对LaNi₅薄膜的影响
• 5薄膜的影响'>3.3 沉积功率对LaNi₅薄膜的影响
• 5薄膜的影响'>3.4 靶基距对LaNi₅薄膜的影响
• 5薄膜的影响'>3.5 沉积气压对LaNi₅薄膜的影响
• 5薄膜的表面处理'>第四章 LaNi₅薄膜的表面处理
• 4.1 表面处理
• 5薄膜表面氟化处理'>4.2 LaNi₅薄膜表面氟化处理
• 5薄膜表面包覆Pt'>4.3 LaNi₅薄膜表面包覆Pt
• 5薄膜的退火与表征'>4.4 LaNi₅薄膜的退火与表征
• 5薄膜的退火条件'>4.4.1 LaNi₅薄膜的退火条件
• 4.4.2 结构表征
• 第五章 传感器元件的氢敏性能分析
• 5.1 测试装置与测试步骤
• 5.2 表面包覆Pt
• 5.3 退火处理
• 5.3.1 氢敏特性研究
• 5.3.2 氢敏机理分析
• 结论
• 参考文献
• 附录 硕士期间的研究成果
• 致谢