掺杂类金刚石薄膜的研究

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摘要通过辉光放电等离子体增强化学气相沉积来制备掺氮类金刚石(DLC)薄膜。采用扫描探针显微镜，拉曼光谱，X射线光电子能谱（XPS）来表征其微观结构，通过循环伏安法来表征其电化学性能。研究了不同偏压下氮元素的掺杂对于N-DLC薄膜的微观结构和电化学性能的影响。67240

薄膜表面非常平整光滑。拉曼光谱结果表明随着基体偏压的增加，ID/IG从0.6增加到1.04。在-550V偏压下沉积的N-DLC薄膜中具有最少的N-O键和最多的C-N键。N-DLC薄膜电极的电势窗口大约为4.0V。-550V偏压下沉积的N-DLC薄膜电极具有更加明显的氧化还原电流，以及对于氧化还原耦的最高可逆性。其在酸性和碱性溶液中的电势窗口分别为4.01V和2.91V。N-DLC薄膜电极在酸性溶液中具有更低的背景电流。这表明其在酸性溶液中更易于检测电催化活性物质。

毕业论文关键词氮掺杂类金刚石不同偏压微观结构循环伏安法

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title The microstructure and electrochemical properties of nitrogen-doped diamond-like carbon films deposited by a hybrid ion beam system

Abstract

Nitrogen-doped diamond-like carbon (DLC) films were synthesized with glow discharge plasma enhanced chemical vapor deposition by a hybrid ion beam system. The influence of nitrogen incorporation under different bias voltage on the microstructure and electrochemical properties of N-DLC films is investigated by scanning probe microscopy, Raman spectroscopy, X-ray photoemission spectroscopy and cycle voltammetry. The surface of the films was very smooth. Raman spectra show that ID/IG increases from 0.6 to 1.04 with the bias voltage increased. The N-DLC film under -550 V has the least N-O bonds and the most C-N bonds. The potential windows of N-DLC electrodes are about 4.0 V. The N-DLC film electrode (-550 V) has more obvious redox currents, and the most reversible behavior for redox couple. The potential windows of N-DLC electrode (-550 V) are 4.01 V and 2.91 V in acidic and alkaline solutions, respectively. N-DLC films in acidic solution have lower background currents. This hints that N-DLC film electrodes in acidic solutions would be easier for analysis of electrochemical active species.

Keywords Nitrogen-doped diamond-like carbon different bias voltage microstructure cyclic voltammetry

1 绪论 1

2 实验 8

2.1 N-DLC薄膜的制备8

2.2 N-DLC薄膜的表征8

2.3 N-DLC薄膜电化学性能的测量9

3 实验结果与讨论 10

3.1 N-DLC薄膜的表面形貌10

3.2 N-DLC薄膜的微观结构11

3.3N-DLC薄膜的电化学性能分析18

结论 22

致谢 23

参考文献24

1 引言

类金刚石（DLC）薄膜作为一种新型功能薄膜材料，近年来备受关注，具有硬度高( 可以和金刚石媲美) 、高电阻、摩擦系数低以及化学惰性和导热性良好，尤其是在红外频段具有极好的透射性和光学折射率，广泛应用于机械、电子、化学、军事、航空航天、生物医学等领域[1-6]。

1. 1 DLC薄膜的结构

DLC薄膜主要的物理性能，如折射率电阻率、显微硬度以及红外透明度等项指标与金刚石的物理特性十分相近。但类金刚石薄膜并不是金刚石的晶体结构，而是一种亚稳态长程无序的非晶材料。DLC薄膜与石墨、金刚石的基本成分均为碳元素，但是因碳原子与碳原子之间的结合方式不同，从而导致其最终产生不同的物质。如图1.1，常态下碳原子有三种键和方式：sp1，sp2，sp3。在sp1态，仅两个电子形成σ键，另两个电子形成π键；在sp2态，碳原子的四个电子中的三个形成在同一平面内的三次轴对称的sp2杂化轨道，它们可形成强σ键，第四个电子轨道与该平面垂直，形成π键；在sp3态碳原子的四个电子按四面体形状分布成sp3杂化轨道，形成强σ键[7]。金刚石的碳原子之间以 sp3键的形式结合；石墨的碳原子之间以sp2键的形式结合；而类金刚石薄膜中碳原子之间则是以sp3和 sp2键的形式结合，在含氢的DLC膜中还存在一定数量的C-H键。它是无定形碳的一种亚稳定形态，没有严格的定义，兼具了金刚石和石墨的优良特性。SP2与SP3含量之比，直接影响着膜层的物理特性。