磁控溅射法制备氮化镍薄膜及其光电性能研究

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过渡金属氮化物具有过渡金属、共价化合物和离子晶体的特性,有着很多优异的性能,如机械性能、光学性能、电学性能、磁性能和在各种催化反应中的催化性能等,在光电器件、储能器件、环境保护领域有着广泛的应用前景。随着对过渡金属氮化物合成原理和合成条件的探索,发现其中的氮化镍材料有着丰富的电子结构,优异的催化选择性,可以作为钌和铂贵金属的潜在替代品,已经是热门材料之一,对其制备和性能的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文采用磁控溅射方法在FTO导电玻璃上制备出了Ni3N薄膜,研究了不同实验工艺参数,包括衬底温度、气体压强、溅射功率、溅射时间和本底真空度对Ni3N薄膜生长的影响。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等表征方法分析了在不同实验条件下制备薄膜样品的结晶度、表面形貌、元素组成和成键状态等,结果表明:生长出结晶度高、晶体颗粒较大、表面形貌致密的Ni3N薄膜的实验参数如下:衬底温度为150℃,Ar和N2的气体流量比为16:4 sccm,气体压强为1.2 Pa,溅射功率为80 W,溅射时间为60 min,本底真空度的压强要达到10-44 Pa以下。对不同实验条件下样品薄膜的光透射率、吸光度和电阻率等性能进行测试,结果发现:在150℃、0.8 Pa和100 W下样品薄膜的光透射率和电阻率最高,光透射率可以达到60%,电阻率可以达到1.095×10-5Ω·m,薄膜的导电性非常好;在不同的实验条件下,随着波长的变化,光吸收度的变化趋势有差别,在350 nm及附近处有光吸收峰的出现;场发射性能测试发现,Ni3N薄膜的开启电场为8 V/um,电流密度可以达到250um/cm2,场发射性能比较理想。本文从理论角度计算出了氮化镍材料的光学性能和电学性能。计算发现:在理论费米能级处,材料的导带和价带并没有分开,出现了重叠现象,证实氮化镍材料是导体类型,与实验结论相一致;Ni3N材料的态密度和能带图相对应,在1.1 eV到25.4 eV范围内,态密度较小,原子的非局域性和延伸性较强,在-7.2 eV到1.1 eV的范围内,态密度急剧增大,说明了原子的非局域性和延伸性较弱;Ni3N材料光吸收峰出现在350 nm,与实验结果一致;Ni2N材料光的吸收峰出现在58.79 nm、81.97 nm、110.68 nm和162.56nm处,为氮化镍材料的进一步实验研究提供理论依据。
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