新型纳米金刚石薄膜电极研究综述

文章基于纳米金刚石薄膜电极的电化学领域研究,综述了本课题组的相关工作。内容关注于纳米金刚石薄膜中导电晶粒和晶界对电化学贡献规律,新型纳米金刚石/石墨烯复合薄膜电极的电化学性能研究及在能源催化领域的应用研究等。

原子氢在纳米金刚石薄膜生长中的作用

探索了原子氢在各类制备条件下对纳米金刚石薄膜生长所起的作用,指出贫氢环境并不是纳米金刚石薄膜制备的必备条件,原子氢与Ar在贫氢环境和富氢环境中的作用机理不尽相同.通过施加衬底偏压能促进氢离子的产生,氢离子刻蚀sp2碳的能力比刻蚀sp3碳能力强很多,同时能产生表面缺陷,因而富原子氢环境更有利于纳米金刚石薄膜成核与生长.

纳米金刚石薄膜的合成、表征及应用

纳米金刚石薄膜具有众多优异性能 ,在众多领域有广泛的应用。本文在详细介绍纳米金刚石薄膜合成的基础上 ,着重阐述了对纳米金刚石薄膜的表征 。

纳米薄膜X射线吸收光谱的鉴定

采用X射线吸收光谱研究了热丝化学气相沉积 (CVD)合成的纳米金刚石薄膜和脉冲激光沉积的纳米SiC薄膜。结果表明 :纳米金刚石薄膜的碳K边X射线吸收精细结构光谱显示的激发峰相当于微米金刚石薄膜的蓝移 ,是量子效应的显著特征 ,证明制备的是纳米金刚石薄膜 ,与高分辨透射电镜的结果完全吻合 ;纳米SiC薄膜的硅K边X射线吸收精细结构光谱和扩展X射线吸收精细结构光谱也显示了纳米薄膜短程有序的结构特征 。

纳米金刚石表面准原子层沉积硅镀层

采用准原子层沉积(Quasi Atomic Layer Deposition-QALD)技术在纳米金刚石表面沉积硅镀层。通过硅烷气体在纳米金刚石颗粒表面饱和吸附,然后原位热解的分步反应实现了硅镀层对纳米金刚石的完整包覆。实验使用TEM、XRD、FTIR和TGA-DSC等分析方法研究了镀硅纳米金刚石的形貌、结构、表面吸附状态和热稳定性。结果表明,SiH4气体循环吸附-热解的QALD方法可在纳米金刚石颗粒表面形成均匀连续、厚度可控的硅镀层。热解反应温度为600℃时,硅镀层为立方相。纳米金刚石镀硅后,热稳定性显著提高,温度升高到1000℃也没有明显的氧化反应发生。

超薄铜膜包覆的金刚石纳米复合粉体制备与表征

在氯化亚锡敏化、氯化钯活化的条件下 ,通过化学镀方法 ,成功地在纳米金刚石粉体表面制备了超薄铜膜 .用X射线粉末衍射 (XRD)和傅立叶红外吸收光谱 (FTIR)表征了该Cu 金刚石纳米复合材料 .此种复合材料在无水乙醇中超声分散5min后的溶胶可稳定存放半年之久而不见沉降 .

单颗粒层纳米金刚石薄膜的疏水性与黏性研究

采用热丝化学气相沉积法(CVD)制备单颗粒层纳米金刚石薄膜,研究颗粒分布状态对薄膜疏水性与黏性的影响规律。结果表明:对于疏水性而言,当颗粒间距大于1500 nm时,颗粒间距对疏水性起主导作用,颗粒间距越小,疏水性越好;当颗粒间距小于1500 nm时,颗粒尺寸对疏水性起主导作用,颗粒越大,疏水性越好;颗粒几乎连续后,三维结构变成二维平面,接触角又下降。对于黏性而言,当颗粒间距大于1480 nm时,颗粒间距减小使液滴与薄膜表面接触状态由Wenzel状态转变为Cassie状态,黏性变差;当颗粒间距小于1480 nm时,薄膜成分对黏性起主导作用,其上石墨相越多,黏性越好。由此得到颗粒分布状态对单颗粒层纳米金刚石薄膜疏水性与黏性的作用规律,为制备高疏水高黏性纳米金刚石薄膜奠定基础。这种无有机长链修饰的、具有良好导电性/电化学特性的、基于碳材料的高黏高疏水表面,可提供大量的气固液三相界面和液下空气袋,为液下耗气型催化/电催化反应或电场驱动下的微液滴无损转移提供基础材料。

掺氮超纳米金刚石-石墨烯杂化薄膜的制备及其生长机理研究

金刚石-石墨烯杂化/复合材料兼具金刚石和石墨烯的优异性能,在储能、光电、生物传感器等领域有着重要的应用。近年来,大量的研究致力于这类材料的形成过程,但其生长机理仍不清楚。采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以有机小分子二异丙胺作为唯一碳、氮源制备了氮掺杂超纳米金刚石-石墨烯杂化薄膜。采用SEM、TEM、Raman、XRD等手段详细分析了杂化薄膜的微观形貌以及物相组成,并结合等离子体发射光谱(OES)对生长时基团种类及含量变化的原位测量,提出了可能的生长机理,为调控氮掺杂超纳米金刚石-石墨烯杂化薄膜的微观结构和性能提供理论依据。

掺氮纳米金刚石膜的制备和性能

以Ar、CH_4和CO_2为反应气源,以三聚氰胺的甲醇饱和溶液为掺杂源,用微波等离子体化学气相沉积法在单晶硅基体上制备了掺氮的金刚石薄膜;用原子力显微镜、拉曼光谱以及霍尔效应测试仪等手段表征了膜的组成结构和半导体特性。结果表明:掺氮的金刚石薄膜晶粒平均尺寸约为20nm,表面粗糙度约为8.935nm,其拉曼光谱为典型的纳米金刚石膜特征峰形;掺氮膜材的电导率高达0.76×10~2Ω^(-1)cm^(-1),载流子浓度达到2.18×10^(19)/cm^3,是一种导电性能优良的n型半导体纳米金刚石膜。

纳米金刚石膜的成核及生长特性研究

采用直流等离子体喷射化学气相沉积（DC arc plasma jet）系统制备了纳米金刚石膜（NCD）,研究了不同的金刚石成核剂溶液对NCD膜的成核及生长的影响。研究表明,在成核剂溶液中添加二甲基亚砜（DMSO）后成核密度明显得到提高,而且制备的NCD膜晶粒分布均匀、致密。当金刚石粉体作为成核剂时,随着其粒径的增大,NCD膜成核密度下降,晶粒的尺寸均匀性也变差,而粒径为5nm的金刚石纳米粒子作为成核剂时,NCD膜晶粒间结合致密、颗粒分布均匀。最后,选择5nm的金刚石纳米粒子和丙酮/DMSO配制的分散液作为成核剂配方,经过60min的生长,制备了粒径为50~70nm的结晶性和品质良好的NCD膜,适用于高频声表面波（SAW）器件及各种光学窗口的研制。