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氧化物和氧化物薄膜材料具有非常广泛的应用,比如应用在抗腐蚀、抗摩擦和磁信息存储等方面,而金属与氧化物的界面和金属在氧化物表面的分散与扩散在催化、气体传感器、微电子器件和发光二极管等很多领域亦扮演重要角色。本文研究的主要课题就是氧化物薄膜的制备及金属Ag在其表面的生长与氧化行为,具体包括W(100)表面CrO2薄膜的制备、Mo(110)表面ZnO薄膜的制备和Ag在Al2O3/Mo(110)、MgO/Mo(100)表面的生长与氧化研究。实验中主要用到的分析方法有X-射线光电子能谱法(XPS),紫外光电子能谱法(UPS),俄歇电子能谱法(AES),低能电子衍射法(LEED)和高分辨电子能量损失谱法(HREELS)。
笔者在W(100)表面制备了Cr氧化物超薄膜。研究发现,当Cr沉积量小于一个单层量时,可以通过在300—320 K温度下~10-7 mbar氧压氧化预沉积的Cr的方式制备CrO2薄膜,而更高温度只能得到Cr2O3。同时,本文通过控制氧压及温度等条件,实现了W表面Cr,CrO2和Cr2O3之间的互相转化。当Cr沉积量超过一个单层量时,通过氧化预沉积Cr和重复“沉积-氧化”亚单层Cr两种方法都只能得到Cr2O3薄膜。
研究了ZnO在金属Mo(110)表面的生长。通过在氧气氛中沉积Zn和先沉积金属Zn再氧化两种方法,均成功制备出有序的ZnO薄膜。对ZnO声子谱的研究发现除了ZnO本征的声子损失峰以外,还有一系列小的伴峰出现,这些伴峰的损失能量之间不具备倍数关系而是与各自右侧最近邻的ZnO声子损失峰保持相同的距离,笔者认为它来源于局域在ZnO薄膜表面缺陷的振动。通过在不高于800 K温度下退火发现,ZnO薄膜表面的缺陷会随温度升高而增加,但薄膜的成份并没有明显变化。
通过Ag在Al2O3和MgO表面的生长研究发现,Ag与氧化物衬底的作用十分微弱,它在氧化物表面遵循三维岛模式生长,并且在Ag沉积量达到约60个单层量时仍然不能完全覆盖氧化物基底的整个表面。通过对Ag/Al2O3和Ag/MgO氧化研究发现,在Ag沉积量不大于5个单层量时,氧化使Ag3d结合能升高而Ag俄歇参数和衬底元素结合能都保持不变,对比价带谱研究结果,笔者认为这是氧化物表面的Ag团簇被引入的氧气氧化并分散成更小的AgOx团簇造成的。当Ag沉积量约60个单层量时,引入的氧气对Ag及氧化物衬底均没有影响。
本文研究的CrO2薄膜和ZnO薄膜对磁性薄膜研究和半导体发光材料的研究具有重要意义;氧化物表面金属团簇颗粒大小的变化及其受氧气的影响在纳米科学中也十分重要,本文的研究有助于对金属团簇作为孤立原子和体材料中间态的理解,对催化剂的制备和应用具有一定的意义。