非晶態(tài)鎂和鎂基合金薄膜的快速氫致光電響應(yīng)特性.pdf

1、覆蓋Pd保護(hù)層的Mg和Mg基合金薄膜可隨著吸收氫原子數(shù)量的變化在高反射金屬態(tài)和透明半導(dǎo)體態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)變，利用這一特性可以研制一些新型的光電器件，如傳感器、節(jié)能窗等。然而，H在晶態(tài)Mg和Mg基合金中的擴(kuò)散速率較低，導(dǎo)致了晶態(tài)薄膜存在光電響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問題。為了解決這一問題，本文利用非晶化的方法來提高H的擴(kuò)散速率，并對(duì)非晶態(tài)Mg和Mg-TM薄膜的快速氫致光電響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　采用磁控濺射法制備了厚度均為200nm的非晶態(tài)

2、和晶態(tài)Mg薄膜，并在其表面原位沉積了一層15nm的Pd作為保護(hù)層。對(duì)比研究了晶態(tài)和非晶態(tài)Mg薄膜的光電響應(yīng)特性，結(jié)果表明:在25℃、0.1 MPa氫壓下加氫，非晶Mg薄膜經(jīng)過110s可由不透明的金屬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯陌雽?dǎo)體態(tài)，透射率由0.8％上升至52.4％，電阻率由0.81mΩ·cm上升至7.14mΩ·cm;而晶態(tài)Mg薄膜在相同條件下僅能實(shí)現(xiàn)部分加氫，轉(zhuǎn)變?yōu)榘岛谖諔B(tài)。由此可見，非晶結(jié)構(gòu)改善了Mg薄膜的光電響應(yīng)特性。
　　為了加快非

3、晶薄膜的響應(yīng)性能，向非晶Mg薄膜中添加一定量的Ni制備MgNix薄膜(x=0.03-0.29)。系統(tǒng)地研究了Ni含量對(duì)非晶薄膜光電響應(yīng)特性的影響，結(jié)果表明:
　　i）隨著Ni含量由0.03增加至0.29，加氫后MgNix薄膜的透射率逐漸降低，透射光譜吸收邊逐漸向紅外移動(dòng)，從而導(dǎo)致薄膜透明態(tài)時(shí)由無色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S褐色。
　　ii）隨著Ni含量由0.03增加至0.29，薄膜的光電響應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)，其中非晶MgNi0.09

4、薄膜的光電響應(yīng)時(shí)間最短，通入氫氣后非晶MgNi0.09薄膜在26 s內(nèi)透射率由0.4％上升至43.2％，電阻率由1.65mΩ·cm上升為8.69mΩ.cm;通入空氣后，經(jīng)過22min可回到初始狀態(tài)。
　　iii）通過同步測(cè)量Mg-Ni薄膜脫/加氫過程中的含氫量和透射率變化曲線，闡明了薄膜的反應(yīng)機(jī)理。加氫過程中，H首先快速地?cái)U(kuò)散至薄膜內(nèi)部，并以“固溶體相”的形式儲(chǔ)存在Mg-Ni層中，隨后再與Mg-Ni反應(yīng)形成氫化物。脫氫過程中，透射

5、率曲線與含氫量曲線同步降低，表明氫化物分解后H立即從薄膜中脫離。因此，非晶薄膜的快速光電響應(yīng)特性歸咎于非晶結(jié)構(gòu)提高了H在薄膜內(nèi)的擴(kuò)散速率，使得變色反應(yīng)的控速步驟由晶態(tài)薄膜的氫擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷П∧さ臍浠锏男纬膳c分解。
　　盡管非晶化改善了Mg-Ni合金薄膜的光電響應(yīng)特性，但合金氫化物相的出現(xiàn)導(dǎo)致薄膜在可見光范圍內(nèi)失去了全透性。因?yàn)門i與Mg不形成合金相，且Ti對(duì)MgH2的形成和分解具有一定的催化作用，本文采用Ti替代Ni來進(jìn)一步改善

6、非晶Mg薄膜的光電響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　i）MgTix薄膜透射率曲線的吸收邊不受Ti含量的影響，薄膜在可見光范圍內(nèi)具有全透性，但透射率隨著Ti含量的增加而逐漸下降;
　　ii）隨著Ti含量由0.11增加至0.29，非晶MgTix薄膜的光電響應(yīng)時(shí)間逐漸減小。其中，Ti含量最高的非晶MgTi0.29薄膜具有最快的光電響應(yīng)時(shí)間，加氫后的11s內(nèi)可由不透明的金屬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯陌雽?dǎo)體態(tài)，透射率由1.5％上升至20.2％，電阻率