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正交相Y_2Mo_3O_（12）薄膜的制备及光吸收性能研究

作　者: 程慧
导　师: 晁明举
学　校: 郑州大学
专　业: 光学
关键词: Y2Mo3O12薄膜 磁控溅射 微观结构 Raman光谱 伏安特性
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


A2M3O12(A为过渡金属或从Lu到Ho的镧系元素,M为W或Mo)类材料,包括两种晶型：四面体结构和正交结构。由于正交相A2M3O12具有多微孔、开放结构,因而,此类材料表现出很高的三价离子传导性,作为燃料电池电解质、气体探测器等元器件的制备材料具有广阔的应用前景。近年来,发现正交相A2M3O12材料在三个晶向上均具有负热膨胀特性,且负热膨胀系数随三价阳离子(A3+)半径的增大而增强。Mary等证明了可通过不同半径三价阳离子间的部分取代,设计出热膨胀系数可控的复合材料,如Al1.68In0.3Sc0.02W3O12、Al1.7In0.3W3O12等,从而应用在光学、光电子学等领域。在正交相A2M3O12系列材料中,钇(Y)具有最大的离子半径,正交相Y2Mo3O12在三个晶向上均存在很强的负热膨胀效应,其温度区间很宽(从室温到1173K),且在此温度区间内不会发生相变,是负热膨胀系数最大的材料,线膨胀系数可达-9.36×10-6/K(αa=-11.69×10-6/K,αb=-6.57×10-6/Kαc=-10.04×10-6/K),因而备受关注。Nassua和T.A.Tunik首次制备出正交相Y2Mo3O12材料,并对其基本性质进行了研究。Liang等采用激光烧结快速合成法制备出正交相Y2Mo3O12,并研究了水分子对正交相Y2Mo3O12声子模式的影响。见诸报道的研究多集中在正交相Y2Mo3O12块体材料的制备和性质上,关于Y2Mo3O12薄膜的研究还未见报道。与块体材料相比,薄膜具有较大的比表面积和特殊的表面结构,因而会呈现新的特性,具有极大的应用潜力,如利用两个膨胀系数不匹配的薄膜制作热执行器、一些必须保持其形状的结构中利用低膨胀或者负膨胀涂层代替补偿器,纠正由于热膨胀引起的偏差,等等。因此,对具有低膨胀或者负膨胀薄膜的研究在薄膜设计中显得尤为重要。本文采用固相烧结法制备了正交相Y2Mo3O12多晶陶瓷靶,采用射频磁控溅射法制备了Y2Mo3O12薄膜,使用SEM、XRD、变温Raman光谱、UV-vis分光光度计、椭圆偏振仪等对制备样品进行表征,研究了正交相Y2Mo3O12多晶陶瓷靶的制备工艺、正交相Y2Mo3O12薄膜的制备工艺、退火温度和不同衬底对Y2Mo3O12薄膜的微观结构、结晶特性的影响,主要结论如下：(1)采用固相烧结法,制备正交结构的Y2Mo3O12多晶陶瓷靶,空间群为pbcn。(2)采用射频磁控溅射法,制备正交结构的Y2Mo3O12薄膜。最佳工艺参数：工件转速60 rpm,衬底温度200℃,工作气压1.3 Pa,溅射功率200W。(3)退火处理能够改善Y2Mo3O12薄膜晶体结构和性能。未退火Y2Mo3O12薄膜为非晶态,退火后Y2Mo3O12薄膜结晶。最佳退火工艺：800℃退火3 h。(4)通过变温Raman光谱首次研究了正交相Y2Mo3O12薄膜的吸水性随温度的变化特征,正交相Y2Mo3O12薄膜具有可逆的吸水脱水特性。(5)正交相Y2Mo3O12薄膜对近紫外光(波长200～270nm)有很好的吸收性能,带隙宽度4.58eV。因此,可以用来作为日盲探测器材料。(6)正交相Y2Mo3O12薄膜的伏安特性呈现非线形关系,表现为半导体导电特性。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
1 引言  11-28
  1.1 负热膨胀材料  11-14
    1.1.1 无机材料的热膨胀  11-12
    1.1.2 钨(钼)酸盐类负热膨胀材料的常用合成方法  12-13
    1.1.3 钨(钼)酸盐类负热膨胀材料的研究现状和应用前景  13-14
  1.2 薄膜的制备方法  14-22
    1.2.1 脉冲激光沉积法  14
    1.2.2 化学气相沉积法(CVD)  14
    1.2.3 分子束外延技术(MBE)  14-15
    1.2.4 喷雾热解法(Spray Pyrolysis)  15-16
    1.2.5 磁控溅射法  16-22
      1.2.5.1 磁控溅射的优点  20
      1.2.5.2 直流磁控溅射  20-21
      1.2.5.3 射频磁控溅射  21-22
  1.3 Y_2Mo_3O_12薄膜的表征手段  22-26
    1.3.1 X射线衍射(XRD)  22-23
    1.3.2 扫描电子显微镜(SEM)  23
    1.3.3 紫外-可见分光光度计  23-24
    1.3.4 变温Raman光谱研究  24-25
    1.3.5 椭圆偏振仪  25
    1.3.6 伏安法测电阻  25-26
  1.4 本文的选题依据、目的和内容  26-28
2 Y_2Mo_3O_12多晶陶瓷靶的制备  28-31
  2.1 靶材的制备及测试  28-30
    2.1.1 靶材的制备  28
    2.1.2 样品的测试  28
    2.1.3 XRD分析  28-29
    2.1.4 Raman光谱分析  29-30
  2.2 本章小结  30-31
3 Y_2Mo_3O_12薄膜制备工艺的研究  31-39
  3.1 实验设备  31-32
  3.2 衬底的选择和清洗  32
    3.2.1 衬底的选择  32
    3.2.2 衬底的清洗  32
  3.3 实验步骤与实验参数  32-34
  3.4 影响沉积速率的因素分析  34-35
    3.4.1 溅射功率与沉积速率的关系  34-35
    3.4.2 工作气压与沉积速率的关系  35
  3.5 薄膜生长过程研究  35-38
    3.5.1 薄膜生长过程及生长模式概述  35-37
    3.5.2 沉积速率和衬底温度对薄膜组织的影响  37
    3.5.3 非晶薄膜  37
    3.5.4 薄膜与衬底材料之间的关系  37-38
  3.6 本章小结  38-39
4 退火温度对Y_2Mo_3O_12薄膜结构的影响  39-42
  4.1 实验  39-40
  4.2 结果与分析  40-42
    4.2.1 XRD分析  40
    4.2.2 表面形貌分析  40-42
5 Y_2Mo_3O_12薄膜结构、吸湿性及光电性能研究  42-52
  5.1 实验  42-43
    5.1.1 磁控溅射法制备Y_2Mo_3O_12薄膜  42-43
    5.1.2 测试方法  43
  5.2 结果与分析  43-51
    5.2.1 表面形貌  43-44
    5.2.2 XRD分析  44-45
    5.2.3 变温Raman分析  45-46
    5.2.4 光吸收性能  46-47
    5.2.5 光学常数  47-48
    5.2.6 伏安法测电阻  48-49
    5.2.7 Y_2Mo_3O_12薄膜的光电响应特性  49-51
  5.3 本章小结  51-52
6 全文总结  52-54
参考文献  54-58
攻读硕士学位期间发表论文  58-59
致谢  59

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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