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氮化碳的制备研究

万军  
【摘要】: 本文概述了近二十年来碳氮化合物在理论和实验研究方面的进展,总结了碳氮化合物的性能及常用的表征手段。分析表明寻找有利于sp~3C-N单键形成的方法和条件是合成氮化碳晶体材料的关键。采用在氮气下脉冲电弧放电电离甲醇和甲醇/氨水溶液、脉冲电弧放电联合微波氮等离子体处理二氰二胺有机晶体以及溅射辅助微波等离子体化学气相沉积等三种方法探索了氮化碳晶体的合成途径。采用红外光谱、X射线能谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、显微激光Raman光谱、扫描电镜和高分辨透射电镜等手段对所制备的碳氮薄膜和碳氮粉末进行了成分、晶体结构、化学键结构等方面的分析。 研究结果表明:在氮气环境下采用脉冲电弧放电电离甲醇溶液,可在较低的基片温度下(220℃)合成氮化碳多晶薄膜。基片温度对薄膜中氮的含量和薄膜的结构有很大的影响,基片温度提高后(300℃)薄膜中氮的含量降低,薄膜结构由氮化碳多晶薄膜转变为石墨为主的碳膜。而在甲醇溶液中加入氨水后发现在450℃基片温度下仍能合成氮化碳多晶薄膜,而当基片温度进一步提高到550℃时,Raman分析表明样品转变为碳膜。 利用常压脉冲电弧等离子体在氮气氛下裂解二氰二胺有机晶体制备含sp~3C-N键的氮化碳前驱物,然后利用微波氮等离子体作用于氮化碳前驱物,研究了形成合成氮化碳晶体所必须的丰富的原子态或离子态的氮、碳和大量的C-N键的形成条件。研究结果表明:经电弧氮等离子体处理后生成的表面被充分氮化的二氰二胺微晶在微波氮等离子体作用时,微晶体表面的碳氮单键抑制了有机晶体的碳化,微晶体界面的碳氮键在氮等离子体的作用下结构发生重组,同时电弧氮等离子体处理后生成的大量的非晶氮化碳微粉在微波氮等离子体的作用下向结晶态转变。 在微波氮等离子体化学气相沉积系统中,利用溅射二氰二氨靶产生的碳氮粒子作为合成前驱物,在石英玻璃基片上研究了基片温度对制备的薄膜的形貌、成分和结构的影响。研究结果表明:随着基片温度的降低,沉积物由截面为六方形的结晶良好的SiCN晶体(800℃)转变成发育不完全的聚片状晶体(700℃),直到变成颗粒细小的无定形薄膜(550℃)。XRD分析表明,衍射峰的强度以及晶胞参数a和c的值随温度的降低而减小;XPS分析表明薄膜为碳原子部分取代氮化硅晶体结构中的硅原子位置而形成的SiCN晶体,其中N原子主要与Si原子结合,C原子以sp~3C-N、sp~2C=N和sp~2C=C键的形式存在。降低基片温度有利于提高薄膜中的碳含量以及sp~3C-N键的含量。


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