金属氧化物的表面和界面物理、化学特性研究

论文题目: 金属氧化物的表面和界面物理、化学特性研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 物理化学

作者: 徐金杰

导师: 王德军,杜祖亮,李铁津

关键词: 表面,界面,稳态光电压,氧化物薄膜,氧化钒,钠钒氧化物

文献来源: 吉林大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本论文主要探讨了几种氧化钒、钠钒氧化物以及Na1+xV3O8 一维纳米结构薄膜的制备与性质;并运用了稳态光电压的原理与技术,探讨研究了p-型硅基底上不同厚度TiO2、SnO2 的薄膜以及复合氧化物薄膜的光电压特性,阐述了界面在表面光伏测量中的作用,获得了一些创新性结果。观测到熔融石英、Si、ITO、Pt 片基底上形成的V2O5薄膜颗粒形貌与大小差异很大,分别表现出体相和表面主导的导电特性;在熔融石英基底上利用低真空与氢还原的方法得到热致变色特性良好的VO2薄膜。在钠玻璃的基底上利用不同温度区域发生的钠离子交换与钠离子扩散作用制得了几种钠钒氧化物的薄膜;通过控制薄膜的厚度、热处理的温度与时间等条件在钠玻璃的基底上制得了高结晶度、具有一维纳米结构的Na1+xV3O8 的薄膜。运用XRD、XPS 以及TEM 方法确定了Na1+xV3O8一维纳米结构的组成、结构并运用HRTEM 观测到Na1+xV3O8纳米带的高分辨像,结合电子衍射确定了纳米带的生长方向;探讨了Na1+xV3O8一维纳米结构的生长条件与机理以及导电特性与离子交换特性。开展了不同厚度TiO2、SnO2 的薄膜以及它们的复合氧化物薄膜的光电压特性研究,探讨了成膜厚度对界面的影响以及表面与不同复合界面在表面光伏效应中作用;不同复合结构的TiO2、SnO2 薄膜虽然组成相同,但由于跟硅基底形成的界面不同、复合层的厚度不同以及外表面的表面态不同导致其光伏特性变化。在对TiO2单晶和薄膜的表面和界面光电压特性的测量,并基于稳态光电压测量方法的等效电路,详尽讨论了光电压与光生电流的关系;通过比较外加电场对光电压、光电流响应的影响,分析了电场可能的作用机理,进而说明了扩展态与定域态,体相与界面产生的光电压具有不同的机制。

论文目录:

提要

第一章绪论

1.1 半导体表面和界面研究的发展历史

1.2 表面和界面的研究方法

1.2.1 表面光谱

1.2.2 基于电学和光学的测量方法

1.2.3 新的进展

1.2.3.1 光助 STM 研究与时间分辨 STM 研究

1.2.3.2 基于KPFM(kelvin-probe force microscopy)的显微表面光电压谱

1.3 半导体表面和界面的结构模型

1.3.1 定域态与扩展态

1.3.2 表面

1.3.3 界面

1.4 表面与界面的生长、可控以及界面的复合

1.4.1 超高真空与清洁表面

1.4.2 化学及电化学方法

1.4.3 物理方法

1.5 氧化物的表面与界面

1.6 本论文所采用的主要的实验方法

1.6.1 透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)及 X-ray 能谱仪(EDS)

1.6.2 X 射线光电子能谱(XPS)

1.6.3 热分析

1.6.4 X 射线衍射(XRD)

1.6.5 扫描探针显微镜(SPM):STM、AFM、EFM

1.6.5 溶胶-凝胶(Sol-gel)方法

1.7 本论文的研究目的、内容

参考文献

第二章表面光电压技术与原理

2.1 表面光电压技术概述

2.1.1 表面和界面电子结构

2.1.2 表面光伏效应

2.1.3 包埋的界面对 SPV 作用

2.1.4 SPV 给出的体相和表面以及界面的信息

2.2 SPV 和表面电势测量对界面能带结构的表征

2.2.1 电子亲和势规则(EAR)

2.2.2 表面电势测量确定界面参数

2.2.3 表面光电压确定界面参数

2.3 SPV 技术实验方法及原理

2.3.1 实验方法

2.3.1.1 Kelvin 探针方法

2.3.1.2 金属-绝缘体-半导体(MIS)模式

2.3.1.3 轻微接触模式:类金属-半导体(MS)模式

2.3.2 轻微接触模式(类MS 模式)的原理

2.3.2.1 测量构造

2.3.2.2 等效电路

2.3.2.3 测量原理

2.3.2.4 弱直流电场的作用

2.4 金红石型 Ti02 的光电压与光电流

2.4.1 实验方法

2.4.2 结果与讨论

2.4.3 光电压检测灵敏度的讨论

2.4.4 结论

2.5 表面光电压谱的信号解析

2.5.1 锁相放大器的原理

2.5.2 表面光电压谱的 R 值谱、X 值谱及相位谱

2.6 本章小结

参考文献

第三章 硅基底上TiO_2、SnO_2薄膜与复合薄膜的光伏特性研究

3.1 硅基底上不同厚度 TiO_2 薄膜的光伏响应

3.1.1 实验部分

3.1.2 Si/TiO_2 薄膜界面示意图

3.1.3 光照对不同厚度薄膜光伏特性的影响

3.1.4 电场对不同厚度薄膜光伏特性的影响

3.1.5 五层TiO_2薄膜的光伏特性与不同热处理条件的影响

3.1.6 超薄 TiO_2 薄膜的光伏特点

3.1.7 小结

3.2 硅基底上不同厚度 51102 薄膜的光伏响应

3.2.1 实验部分

3.2.2 不同厚度薄膜的光伏特性比较

3.2.2.1 一层SnO_2薄膜的光伏特性

3.2.2.2 五层SnO_2薄膜的光伏特性

3.3 硅基底上不同TiO_2、SnO_2复合薄膜的光伏响应

3.3.1 实验部分

3.3.2 SnO_2(5) /TiO_2(5)复合薄膜

3.3.3 TiO_2(5)/SnO_2(5)复合薄膜

3.3.4 小结

3.4 本章小结

参考文献

第四章 氧化钒薄膜的制备与变色特性研究

4.1 V_2O_5·nH_20 胶体、V_2O_5、VO_2 的结构

4.1.1 V_2O_5的结构

4.1.2 V_2O_5·nH_2O 的结构

4.1.3 VO_2 的结构

4.2 氧化钒胶体

4.2.1 实验方法

4.2.2 胶体性质

4.2.3 不同基底上的干凝胶薄膜

4.3 V_2O_5 薄膜

4.3.1 实验方法

4.3.2 结果与讨论

4.4 VO_2 薄膜

4.4.1 实验方法

4.4.2 结果与讨论

4.5 本章小结

参考文献

第五章 几种钒酸钠薄膜及Na_(1+x)V_3O_8一维纳米结构的制备和特性研究

5.1 Na_(1+x)V_3O_8的晶体结构与钠玻璃的结构

5.1.1 Na_(1+x)V_3O_8 的结构

5.1.2 钠玻璃的结构

5.2 样品制备和表征

5.3 结果与讨论

5.3.1 Na_(0.33)V_2O_5·nH_2O:330℃之前

5.3.2 Na_(1+x)V_3O_8一维纳米结构薄膜的制备与生长过程

5.3.2.1 结构表征与物质确定

5.3.2.2 薄膜形貌特征

5.3.2.3 生长条件的讨论

5.3.2.4 透射电镜表征

5.3.3 NaVO_3 高取向薄膜

5.3.4 纳米结构生长机理

5.4 Na_(1+x)V_3O_8 一维纳米结构薄膜的性质

5.4.1 锂离子交换作用

5.4.1.1 实验部分

5.4.1.2 循环伏安

5.4.2 电流同时AFM 模式测得I-V 特性与STM 表征

5.4.2.1 电流同时AFM 模式测得I-V 特性

5.4.2.2 STM 表征

5.5 结论

参考文献

附录

致谢

作者简历

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发布时间: 2005-08-26

参考文献

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