氮气放电在氮掺杂及氮化物合成中的应用

【摘要】： 氮化物由于其在各个领域(如半导体，环境，能源等方面)都展现出其优良的特性和广阔的应用前景，一直以来都是重要的研究对象。本文研制了高解离度的空心阴极放电氮离子束源并应用于二氧化钛光催化材料的氮掺杂，得到了在可见光下具有催化性能的掺氮二氧化钛薄膜；同时，对氮气氛下的快脉冲放电进行了研究并应用于碳氮薄膜的合成。得到的无定型碳氮纳米颗粒膜具有很好的场发射特性。本论文在氮气放电及其应用方面作了有益的探索，取得了有意义的和有创新性的结果。 一、基于空心阴极放电的氮原子离子束源的研制与参数分析 设计和研制了基于空心阴极放电的氮原子离子束源。束源的工作稳定。本文对于该离子束源在各种放电条件下的工作参数进行了细致的分析，通过飞行时间质谱的测量来研究离子束在各种放电参数下的性能，包括放电电流，管内气压，气体流量，反应气体组成等对产生的离子束组分的影响。在优化的放电条件下，使用纯氮气作为工作气体，得到了原子离子比例达95％以上的氮离子束输出。在很大的放电电流范围内都可以得到大于90％的原子离子比例。因此可以认为是一个纯氮原子离子束源。由于氮原子离子所具有的高化学活性，以及对于材料表面的低溅射速率，该氮原子离子束源在应用于材料氮化改性的实验室研究方面将具有非常重要的应用价值，本文利用这一束源开展了二氧化钛掺氮的研究。 二、用离子注入方法研究二氧化钛的掺氮及其可见光催化特性 使用PLD方法以及磁控溅射方法制备了两种二氧化钛薄膜材料，并使用氮离子注入方法进行了氮掺杂。通过RAMAN光谱，光电子能谱，X光衍射谱，UV-VIS吸收谱等多种测试手段对于所得到的掺氮二氧化钛膜进行了表征。结果发现，通过离子注入方法可以有效地对于两种二氧化钛膜进行掺杂，XPS测试表明，两种薄膜材料在进行了离子注入后，表面氮含量均高于10％。同时，在UV-VIS吸收谱上，均有可见光吸收的增强。在405nm激光照射下，掺氮样品对于亚甲基蓝溶液具有光催化分解作用。可见光催化效果和吸收谱的结果是吻合的。对可见光催化的差异进行了一些初步的讨论。 三、利用氮气脉冲放电方法合成碳氮纳米颗粒膜 我们使用高纯石墨棒作为电极，通过氮气中的快脉冲高压放电，在氮化的金刚石薄膜表面生长了无定形碳氮薄膜。利用放电等离子体的发射光谱诊断优化了合成条件。结构分析表明沉积的碳氮薄膜主要是由纳米尺度的碳颗粒、纳米金刚石颗粒和sp~2、sp~3键合的氮化碳颗粒等组成。经氢氟酸后处理的碳氮薄膜移去了大部分较弱键合的大颗粒而由更为紧密的微小颗粒组成。经氢氟酸处理前后的碳氮薄膜中的微晶石墨的大小，经过估算分别为1.5nm和1.2nm，对应的光学带隙为1.02eV和1.05eV。 四、碳氮纳米颗粒膜的场发射特性研究 对于氮气快脉冲放电方法沉积的碳氮薄膜研究的初步结果表明该材料具有半导体的特性，并具有优良的冷阴极发射性能，即较低的开启电场和较高的场发射电流密度。这使得该碳氮薄膜有希望成为优良的电子材料。而在对薄膜用氢氟酸进行了处理后，其导电性和场发射性能都有了增强。薄膜的活化能从3.42eV降至1.19eV。开启电场分别为4 Vμm~(-1)和3.5Vμm~(-1)。开启之后在相同的外加电场下，得到的场发射电流也有较大的差异，经氢氟酸处理碳氮薄膜的发射电流密度要比未经处理的薄膜高1个数量级。可见碳氮薄膜经氢氟酸处理后场发射特性有明显提高。 这些工作的开展和完成，对于我们在以后进一步广泛地开展关于氮化物的合成和掺氮研究打下了坚实的基础。