非晶態(tài)鎂和鎂基合金薄膜的快速氫致光電響應特性.pdf

1、覆蓋Pd保護層的Mg和Mg基合金薄膜可隨著吸收氫原子數量的變化在高反射金屬態(tài)和透明半導體態(tài)之間可逆地轉變，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基合金中的擴散速率較低，導致了晶態(tài)薄膜存在光電響應時間長等問題。為了解決這一問題，本文利用非晶化的方法來提高H的擴散速率，并對非晶態(tài)Mg和Mg-TM薄膜的快速氫致光電響應特性進行了系統(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作為保護層。對比研究了晶態(tài)和非晶態(tài)Mg薄膜的光電響應特性，結果表明:在25℃、0.1 MPa氫壓下加氫，非晶Mg薄膜經過110s可由不透明的金屬態(tài)轉變?yōu)橥该鞯陌雽w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現部分加氫，轉變?yōu)榘岛谖諔B(tài)。由此可見，非晶結構改善了Mg薄膜的光電響應特性。
　　為了加快非

3、晶薄膜的響應性能，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含量對非晶薄膜光電響應特性的影響，結果表明:
　　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，從而導致薄膜透明態(tài)時由無色轉變?yōu)辄S褐色。
　　ii）隨著Ni含量由0.03增加至0.29，薄膜的光電響應時間呈現先減小再增大的趨勢，其中非晶MgNi0.09

4、薄膜的光電響應時間最短，通入氫氣后非晶MgNi0.09薄膜在26 s內透射率由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，經過22min可回到初始狀態(tài)。
　　iii）通過同步測量Mg-Ni薄膜脫/加氫過程中的含氫量和透射率變化曲線，闡明了薄膜的反應機理。加氫過程中，H首先快速地擴散至薄膜內部，并以“固溶體相”的形式儲存在Mg-Ni層中，隨后再與Mg-Ni反應形成氫化物。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特性歸咎于非晶結構提高了H在薄膜內的擴散速率，使得變色反應的控速步驟由晶態(tài)薄膜的氫擴散轉變?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特性，但合金氫化物相的出現導致薄膜在可見光范圍內失去了全透性。因為Ti與Mg不形成合金相，且Ti對MgH2的形成和分解具有一定的催化作用，本文采用Ti替代Ni來進一步改善

6、非晶Mg薄膜的光電響應特性。實驗結果表明:
　　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薄膜的光電響應時間逐漸減小。其中，Ti含量最高的非晶MgTi0.29薄膜具有最快的光電響應時間，加氫后的11s內可由不透明的金屬態(tài)轉變?yōu)橥该鞯陌雽w態(tài)，透射率由1.5％上升至20.2％，電阻率