基于“濕電子態(tài)”效應的鋁介質膜-H-,2-O互作用機制研究.pdf

1、作為介質膜使用的鋁的氧化物(Al2O3)與水(H2O)分子的作用機理在多個領域中有著重要的作用，對高比容鋁電極箔的耐水合特性也有著重要影響。本文以近年來國際上提出的“濕電子態(tài)”效應為依據(jù)，晶型γ-Al2O3為研究對象，基于密度泛函的第一性原理計算為工具，研究H2O在晶型γ-Al2O3表面的吸附作用機理。 首先研究了γ-Al2O3晶體的體結構與其(110)表面的電子結構。計算得到了體結構能帶結構與態(tài)密度分布等信息，晶格常數(shù)為0.5

2、71nm。研究了(110)面上8層Al、O原子的馳豫規(guī)律，確定了5個原子層為后續(xù)研究所需的最小層數(shù)。計算了穩(wěn)定狀態(tài)下(110)面原子排列分布等電子結構信息，確定(110)面上的四個高對稱幾何位置作為后續(xù)研究的水分子最大可能吸附點。 其次研究了γ-Al2O3(110)面上水分子的吸附情況。計算結果顯示水分子在γ-Al2O3(110)面上的三個高對稱位置上發(fā)生了吸附：四面體型終端Al原子正上方、八面體型Al原子終端正上方以及暴露的次

3、表面層Al原子正上方，而在Al-O鍵橋上H2O分子不能存在。計算得到的分波態(tài)密度圖譜顯系統(tǒng)在費米能級上方2.2～2.4eV的導帶內可產(chǎn)生“濕電子態(tài)”新能級。 本文還研究了Ti摻雜γ-Al2O3的體結構與(110)面電子結構特性。計算所得能帶結構與分波態(tài)密度圖譜顯示Ti的d軌道電子對導帶底部有明顯貢獻，使得晶體的導帶底部向下展寬，造成禁帶寬度大幅減?。挥嬎惚砻?，間隙式摻雜不易發(fā)生，最有可能的還是替位式摻雜。在替位式摻雜中，雜質Ti

4、原子傾向于固定在氧化物的表面；摻Ti后的γ-Al2O3(110)面上Ti的正上方也是H2O吸附活性點；Ti摻雜引入的“濕電子態(tài)”效應可增加電子躍遷入導帶的幾率。 最后，本文通過兩個具體實驗來驗證部分理論計算結果。一是采用新型耐水合試劑對鋁電極箔進行耐水合處理，紅外光譜和原子力顯微鏡檢測發(fā)現(xiàn)處理后的鋁電極箔耐水合效果良好，驗證了計算所得的鋁介質膜表面H2O吸附結果；二是采用水解沉積-陽極氧化技術在鋁電極箔表面制備Al-Ti復合介質