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《华北电力大学》 2013年
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不锈钢表面氧化膜暂态光电流响应分析

连佳  
【摘要】:不锈钢表面氧化膜的光电流响应具有典型的暂态性质。现存的理论仅可以对部分较为简单的光电流暂态响应模式进行解释以及定量的分析,无法对一些较为复杂的光电流响应模式进行有效的定量分析。本文通过对光电流暂态响应的解析深入分析金属氧化膜的成分组成、电子结构以及光生载流子的产生、复合、移动等运动过程,从而揭示氧化膜光电流暂态响应的机理,建立系统的光电流暂态响应定性、定量分析方法,丰富半导体光电化学和金属腐蚀领域的理论体系。 首先分别对金属/半导体膜、氧化相A/氧化相B界面以及半导体膜/溶液界面的光电流产生机制进行分析,给出了各界面电子能带模型。基于不锈钢表面氧化膜能带模型,对氧化膜内载流子的各运动过程进行分析,得到光生载流子浓度的连续性方程。结合不锈钢氧化膜总光电流响应的产生机制,最终得到光电流响应数值模型。同时对光电流响应的影响因素(外加偏压及光吸收系数)进行分析,分别给出其数学表达式。 其次,应用动电位扫描法研究高温水中304L不锈钢表面氧化膜的腐蚀电位和腐蚀电流,得到氧化膜钝化区的电位范围;应用Mott-Schottky曲线分析高温水中304L不锈钢表面氧化膜的半导体性质,包括平带电位、半导体类型及载流子浓度;通过点缺陷模型论证了载流子浓度与金属氧化膜腐蚀性的关系。 在光电流响应测试中,分别用光电流稳态响应和暂态响应测试考察了高温水中304L不锈钢表面氧化膜的光电化学性质。光电流稳态响应结果表明,样品表面氧化膜呈现p-型半导体性质;氧化膜由两氧化物相组成,其禁带宽度Eg分别为1.9eV和3.7eV,分别对应为铁的氧化物Fe203和铬的氧化物Cr2O3。光电流暂态响应分析结果与稳态响应分析结果在氧化膜组分上结论相同,但在外加正向偏压时会出现正向的光电流暂态响应。进一步提出光电流响应峰效应的概念,得到光电流响应暂态响应的出现主要是由氧化膜外层氧化相的半导体电子特性决定的。 利用得到的304L不锈钢表面氧化膜的光电流响应测试结果对建立的光电流响应数学模型进行验证。具体地,根据已得氧化膜光电流响应数学模型,证实随着外加电压的增大,氧化膜光电流暂态响应由模式D逐渐变化为模式F;经数值模拟得到氧化膜/溶液界面内电场、外层界面宽度及载流子浓度等光电化学参数的计算值;对比数值模拟曲线与实际测试曲线,吻合度良好(R20.95)。 再次,利用光电流响应测试分析在两种不同高温水(加锌和无锌)环境中生成的304L不锈钢氧化膜的半导体性质。对比无锌样品的光电流稳态响应及暂态响应测试结果,随着外加电压的负向移动,氧化膜由n-型半导体逐渐向p-型半导体转化。同时得到分别对应于铁的氧化物2.2eV的禁带宽度和铬的氧化物3.5eV的禁带宽度。而含锌样品的光电流稳态响应和暂态响应结果均表明其氧化膜呈现n-型半导体性质,并得到了分别对应于铁氧化物2.2eV的禁带宽度和铬氧化物2.9eV和3.5eV的禁带宽度。 依据已得光电流响应数学模型,证实随着内电场的不断降低,无锌样品的光电流响应将呈现出模式C-F-D的变化趋势,同时在总光电流响应同时受电子电流和空穴电流的影响时,光电流响应模式呈现为模式G。而含锌样品的光电流响应波形模式始终为模式C。进一步经数值模拟得到两种样品的氧化膜/溶液界面内电场值、外层界面宽度及载流子浓度等光电化学参数。 综上所述,不锈钢表面氧化膜光电流响应测试达到预期结果,同时利用载流子浓度连续性方程对不锈钢表面氧化膜暂态光电流响应的数值解析是可行的。通过与不锈钢表面氧化膜的光电流响应实际值的对比分析,本文建立的不锈钢表面氧化膜光电流暂态响应数学模型计算值与实际波形吻合度良好,证实本文建立的暂态光电流响应数学模型较为准确地描述了不锈钢表面氧化膜光电流响应行为并可对其进行定量解析。
【学位授予单位】:华北电力大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TG174.4

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 赵园婷;双层结构钝化膜的光电流响应分析[D];华北电力大学;2014年
2 朱舸顺;氢对不锈钢光电流响应的影响[D];华北电力大学;2014年
【参考文献】
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【共引文献】
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3 李华曜;金属氧化物半导体多孔膜材料光电性能评价的研究[D];华中科技大学;2013年
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8 辛柏福;铜和锡改性纳米TiO_2的制备及其光催化降解三氟羧草醚效能[D];哈尔滨工业大学;2009年
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【同被引文献】
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10 姚远,乔利杰,孙冬柏,褚武扬;氢对不锈钢钝化膜破裂应力的影响[J];金属学报;2003年08期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 檀玉;高温水中Zn离子抑制镍合金腐蚀机理半导体电化学研究[D];华北电力大学;2012年
【二级参考文献】
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1 连佳;不锈钢表面氧化膜暂态光电流响应分析[D];华北电力大学;2013年
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