不銹鋼表面氧化膜暫態(tài)光電流響應分析.pdf

1、不銹鋼表面氧化膜的光電流響應具有典型的暫態(tài)性質?，F存的理論僅可以對部分較為簡單的光電流暫態(tài)響應模式進行解釋以及定量的分析，無法對一些較為復雜的光電流響應模式進行有效的定量分析。本文通過對光電流暫態(tài)響應的解析深入分析金屬氧化膜的成分組成、電子結構以及光生載流子的產生、復合、移動等運動過程，從而揭示氧化膜光電流暫態(tài)響應的機理，建立系統(tǒng)的光電流暫態(tài)響應定性、定量分析方法，豐富半導體光電化學和金屬腐蝕領域的理論體系。
　　首先分別對金屬/

2、半導體膜、氧化相A/氧化相B界面以及半導體膜/溶液界面的光電流產生機制進行分析，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，對氧化膜內載流子的各運動過程進行分析，得到光生載流子濃度的連續(xù)性方程。結合不銹鋼氧化膜總光電流響應的產生機制，最終得到光電流響應數值模型。同時對光電流響應的影響因素(外加偏壓及光吸收系數)進行分析，分別給出其數學表達式。
　　其次，應用動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;應用Mott-Schottky曲線分析高溫水中304L不銹鋼表面氧化膜的半導體性質，包括平帶電位、半導體類型及載流子濃度;通過點缺陷模型論證了載流子濃度與金屬氧化膜腐蝕性的關系。
　　在光電流響應測試中，分別用光電流穩(wěn)態(tài)響應和暫態(tài)響應測試考察了高溫水中304L不銹鋼表面氧化膜的光電化學性質。光電流穩(wěn)態(tài)響應結果表明，樣品表面氧化膜呈現p-型半導體性質;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，分別對應為鐵的氧化物Fe2O3和鉻的氧化物Cr2O3。光電流暫態(tài)響應分析結果與穩(wěn)態(tài)響應分析結果在氧化膜組分上結論相同，但在外加正向偏壓時會出現正向的光電流暫態(tài)響應。進一步提出光電流響應峰效應的概念，得到光電流響應暫態(tài)響應的出現主要是由氧化膜外層氧化相的半導體電子特性決定的。
　　利用得到的304L不銹鋼表面氧化膜的光電流響應測試結果對建立的光電流響應數學模型進行驗證。具體地，根據已得氧化膜光電流響應數學模型，

5、證實隨著外加電壓的增大，氧化膜光電流暫態(tài)響應由模式D逐漸變化為模式F;經數值模擬得到氧化膜/溶液界面內電場、外層界面寬度及載流子濃度等光電化學參數的計算值;對比數值模擬曲線與實際測試曲線，吻合度良好(R2＞0.95)。
　　再次，利用光電流響應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體性質。對比無鋅樣品的光電流穩(wěn)態(tài)響應及暫態(tài)響應測試結果，隨著外加電壓的負向移動，氧化膜由n-型半導體逐漸向p-型半

6、導體轉化。同時得到分別對應于鐵的氧化物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)響應和暫態(tài)響應結果均表明其氧化膜呈現n-型半導體性質，并得到了分別對應于鐵氧化物2.2eV的禁帶寬度和鉻氧化物2.9eV和3.5eV的禁帶寬度。
　　依據已得光電流響應數學模型，證實隨著內電場的不斷降低，無鋅樣品的光電流響應將呈現出模式C-F-D的變化趨勢，同時在總光電流響應同時受電子電流和空穴電流的影響時，光電流響應

7、模式呈現為模式G。而含鋅樣品的光電流響應波形模式始終為模式C。進一步經數值模擬得到兩種樣品的氧化膜/溶液界面內電場值、外層界面寬度及載流子濃度等光電化學參數。
　　綜上所述，不銹鋼表面氧化膜光電流響應測試達到預期結果，同時利用載流子濃度連續(xù)性方程對不銹鋼表面氧化膜暫態(tài)光電流響應的數值解析是可行的。通過與不銹鋼表面氧化膜的光電流響應實際值的對比分析，本文建立的不銹鋼表面氧化膜光電流暫態(tài)響應數學模型計算值與實際波形吻合度良好，證實本文