现代材料物理研究方法结课作业

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1、现代材料物理研究方法结课作业1.研究方向在美国，因为基础设施的金属腐蚀其每年造成的经济损失达到了三千亿美元，2014年，在欧洲因为材料腐蚀所造成的经济损失达到两千亿欧元。所以，我们对于超薄的、可以长期有效的保护金属并且对受保护金属的固有性能没有较大影响的防腐蚀材料有急切的研发需求。石墨烯是原子级的薄层，已经被证实其可以保护包括Ni，Cu，Ag，Au和Pt等金属，并且它可以作为金属和半导体内部连接的扩散屏障。高温退火和电化学测试显示，石墨烯纳米片在短期内具有十分优秀的屏障性能。然而，其他研究显示，当铜长期暴露在空气中时（几个月），石墨烯纳米片覆

2、层会促进铜在空气中的腐蚀。这种由石墨烯覆层造成的腐蚀促进的作用我们可以理解为石墨烯和铜原电池腐蚀对的结果。其电化学路径被确定为石墨烯/氧气/铜的堆叠作用，并且其对腐蚀的速率有加速作用，所以覆层之后的腐蚀速率已经完全超过了洁净的裸露的纯铜。因此，怎样去防止或是抑制覆层和被保护金属之间的电化学腐蚀路径的形成就变成了一个非常重要的问题。为了阻止电化学腐蚀作用，研究者们将石墨烯和氧化石墨烯使用绝缘的聚合物基体复合起来，以提升其屏障的性能并且阻隔其电化学反应路径。然而，这样做会使制造工艺变得非常复杂，而且它屏障的厚度也会提升，对其本体性能的影响会变大。

3、六方氮化硼（BN）有着类似于石墨烯的晶格结构、超薄的厚度、很高的电阻率、杰出的热传导性能、大气环境下的稳定性和较高的阻隔性能。有研究显示，BN有着杰出的阻隔性能，它可以在短期内，在1100℃的温度下，有效的保护Ni不被氧化。有研究者证实，BN在短期的高温环境下，有着较为优越的氧化阻隔性能。研究者们也研究了BN纳米片附着在Cu箔上面在200个小时以内的腐蚀阻隔性能，研究结果显示，BN涂层提升了Cu箔的开路电势。实验显示，BN比起石墨烯来说，有更好的长期防止腐蚀的性能，这是由于它有很强的绝缘性能，所以它可以较好地阻隔电化学反应。在我今后的研究中，

4、我会使用第一性原理，去理论计算并且理论模拟BN单层纳米片其对氧气的阻隔特性。2.表征方法2.1.X射线光电子能谱（XPS）在研究中，为了测试样品的成分，或是样品腐蚀的严重程度（含氧量），我们会使用X射线光电子能谱对样品进行测量。X射线光电子能谱技术是电子材料与元器件显微分析中的一种先进分析技术，而且是和俄歇电子能谱技术常常配合使用的分析技术。由于它可以比俄歇电子能谱技术更准确地测量原子的内层电子束缚能及其化学位移，所以它不但为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，还能为电子材料研究提供各种化合物的元素组成和含量、化学状态、分子结构、化学键

5、方面的信息。它在分析电子材料时，不但可提供总体方面的化学信息，还能给出表面、微小区域和深度分布方面的信息。另外，因为入射到样品表面的X射线束是一种光子束，所以对样品的破坏性非常小。以下为XPS的基本原理：X射线光子的能量在1000～1500ev之间，不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激发出来，内层电子的能级受分子环境的影响很小。同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很小，故它是特征的。光子入射到固体表面激发出光电子，利用能量分析器对光电子进行分析的实验技术称为光电子能谱。XPS的原理是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价

6、电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，以光电子的动能/束缚能,(Eb=hv-Ek-w)为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱。处于原子内壳层的电子结合能较高，要把它打出来需要能量较高的光子，以镁或铝作为阳极材料的X射线源得到的光子能量分别为1253.6电子伏和1486.6电子伏，此范围内的光子能量足以把不太重的原子的1s电子打出来。各种原子的1s电子的XPS谱线均不相同，因为其原子内壳层的电子结合能值各不

7、相同，而且各元素之间相差很大，容易识别。因此,通过考查1s的结合能可以鉴定样品中的化学元素。除了不同元素的同一内壳层电子（如1s电子）的结合能各有不同的值而外，给定原子的某给定内壳层电子的结合能还与该原子的化学结合状态及其化学环境有关，随着该原子所在分子的不同，该给定内壳层电子的光电子峰会有位移，称为化学位移。这是由于内壳层电子的结合能除主要决定于原子核电荷而外，还受周围价电子的影响。电负性比该原子大的原子趋向于把该原子的价电子拉向近旁，使该原子核同其1s电子结合牢固，从而增加结合能。如三氟乙酸乙酯CF3COOC2H5中的四个碳原子分别处于四

8、种不同的化学环境，同四种具有不同电负性的原子结合。由于氟的电负性最大，CF婣中碳原子的C(1s)结合能最高。通过对化学位移的考察,XPS在化学上成为研究电子结构和高