不銹鋼表面氧化膜暫態(tài)光電流響應(yīng)分析.pdf

1、不銹鋼表面氧化膜的光電流響應(yīng)具有典型的暫態(tài)性質(zhì)?，F(xiàn)存的理論僅可以對(duì)部分較為簡單的光電流暫態(tài)響應(yīng)模式進(jìn)行解釋以及定量的分析，無法對(duì)一些較為復(fù)雜的光電流響應(yīng)模式進(jìn)行有效的定量分析。本文通過對(duì)光電流暫態(tài)響應(yīng)的解析深入分析金屬氧化膜的成分組成、電子結(jié)構(gòu)以及光生載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)過程，從而揭示氧化膜光電流暫態(tài)響應(yīng)的機(jī)理，建立系統(tǒng)的光電流暫態(tài)響應(yīng)定性、定量分析方法，豐富半導(dǎo)體光電化學(xué)和金屬腐蝕領(lǐng)域的理論體系。
　　首先分別對(duì)金屬/

2、半導(dǎo)體膜、氧化相A/氧化相B界面以及半導(dǎo)體膜/溶液界面的光電流產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分析，給出了各界面電子能帶模型?；诓讳P鋼表面氧化膜能帶模型，對(duì)氧化膜內(nèi)載流子的各運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，得到光生載流子濃度的連續(xù)性方程。結(jié)合不銹鋼氧化膜總光電流響應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，最終得到光電流響應(yīng)數(shù)值模型。同時(shí)對(duì)光電流響應(yīng)的影響因素(外加偏壓及光吸收系數(shù))進(jìn)行分析，分別給出其數(shù)學(xué)表達(dá)式。
　　其次，應(yīng)用動(dòng)電位掃描法研究高溫水中304L不銹鋼表面氧化膜的腐蝕電位和腐

3、蝕電流，得到氧化膜鈍化區(qū)的電位范圍;應(yīng)用Mott-Schottky曲線分析高溫水中304L不銹鋼表面氧化膜的半導(dǎo)體性質(zhì)，包括平帶電位、半導(dǎo)體類型及載流子濃度;通過點(diǎn)缺陷模型論證了載流子濃度與金屬氧化膜腐蝕性的關(guān)系。
　　在光電流響應(yīng)測試中，分別用光電流穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)測試考察了高溫水中304L不銹鋼表面氧化膜的光電化學(xué)性質(zhì)。光電流穩(wěn)態(tài)響應(yīng)結(jié)果表明，樣品表面氧化膜呈現(xiàn)p-型半導(dǎo)體性質(zhì);氧化膜由兩氧化物相組成，其禁帶寬度Eg分別為1

4、.9eV和3.7eV，分別對(duì)應(yīng)為鐵的氧化物Fe2O3和鉻的氧化物Cr2O3。光電流暫態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果在氧化膜組分上結(jié)論相同，但在外加正向偏壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)正向的光電流暫態(tài)響應(yīng)。進(jìn)一步提出光電流響應(yīng)峰效應(yīng)的概念，得到光電流響應(yīng)暫態(tài)響應(yīng)的出現(xiàn)主要是由氧化膜外層氧化相的半導(dǎo)體電子特性決定的。
　　利用得到的304L不銹鋼表面氧化膜的光電流響應(yīng)測試結(jié)果對(duì)建立的光電流響應(yīng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。具體地，根據(jù)已得氧化膜光電流響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，

5、證實(shí)隨著外加電壓的增大，氧化膜光電流暫態(tài)響應(yīng)由模式D逐漸變化為模式F;經(jīng)數(shù)值模擬得到氧化膜/溶液界面內(nèi)電場、外層界面寬度及載流子濃度等光電化學(xué)參數(shù)的計(jì)算值;對(duì)比數(shù)值模擬曲線與實(shí)際測試曲線，吻合度良好(R2＞0.95)。
　　再次，利用光電流響應(yīng)測試分析在兩種不同高溫水(加鋅和無鋅)環(huán)境中生成的304L不銹鋼氧化膜的半導(dǎo)體性質(zhì)。對(duì)比無鋅樣品的光電流穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及暫態(tài)響應(yīng)測試結(jié)果，隨著外加電壓的負(fù)向移動(dòng)，氧化膜由n-型半導(dǎo)體逐漸向p-型半

6、導(dǎo)體轉(zhuǎn)化。同時(shí)得到分別對(duì)應(yīng)于鐵的氧化物2.2eV的禁帶寬度和鉻的氧化物3.5eV的禁帶寬度。而含鋅樣品的光電流穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)結(jié)果均表明其氧化膜呈現(xiàn)n-型半導(dǎo)體性質(zhì)，并得到了分別對(duì)應(yīng)于鐵氧化物2.2eV的禁帶寬度和鉻氧化物2.9eV和3.5eV的禁帶寬度。
　　依據(jù)已得光電流響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，證實(shí)隨著內(nèi)電場的不斷降低，無鋅樣品的光電流響應(yīng)將呈現(xiàn)出模式C-F-D的變化趨勢，同時(shí)在總光電流響應(yīng)同時(shí)受電子電流和空穴電流的影響時(shí)，光電流響應(yīng)

7、模式呈現(xiàn)為模式G。而含鋅樣品的光電流響應(yīng)波形模式始終為模式C。進(jìn)一步經(jīng)數(shù)值模擬得到兩種樣品的氧化膜/溶液界面內(nèi)電場值、外層界面寬度及載流子濃度等光電化學(xué)參數(shù)。
　　綜上所述，不銹鋼表面氧化膜光電流響應(yīng)測試達(dá)到預(yù)期結(jié)果，同時(shí)利用載流子濃度連續(xù)性方程對(duì)不銹鋼表面氧化膜暫態(tài)光電流響應(yīng)的數(shù)值解析是可行的。通過與不銹鋼表面氧化膜的光電流響應(yīng)實(shí)際值的對(duì)比分析，本文建立的不銹鋼表面氧化膜光電流暫態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與實(shí)際波形吻合度良好，證實(shí)本文