基于“濕電子態(tài)”效應(yīng)的鋁介質(zhì)膜-H-,2-O互作用機(jī)制研究.pdf

1、作為介質(zhì)膜使用的鋁的氧化物(Al2O3)與水(H2O)分子的作用機(jī)理在多個(gè)領(lǐng)域中有著重要的作用，對(duì)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(lái)國(guó)際上提出的“濕電子態(tài)”效應(yīng)為依據(jù)，晶型γ-Al2O3為研究對(duì)象，基于密度泛函的第一性原理計(jì)算為工具，研究H2O在晶型γ-Al2O3表面的吸附作用機(jī)理。 首先研究了γ-Al2O3晶體的體結(jié)構(gòu)與其(110)表面的電子結(jié)構(gòu)。計(jì)算得到了體結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)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(gè)原子層為后續(xù)研究所需的最小層數(shù)。計(jì)算了穩(wěn)定狀態(tài)下(110)面原子排列分布等電子結(jié)構(gòu)信息，確定(110)面上的四個(gè)高對(duì)稱(chēng)幾何位置作為后續(xù)研究的水分子最大可能吸附點(diǎn)。 其次研究了γ-Al2O3(110)面上水分子的吸附情況。計(jì)算結(jié)果顯示水分子在γ-Al2O3(110)面上的三個(gè)高對(duì)稱(chēng)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(jì)算得到的分波態(tài)密度圖譜顯系統(tǒng)在費(fèi)米能級(jí)上方2.2～2.4eV的導(dǎo)帶內(nèi)可產(chǎn)生“濕電子態(tài)”新能級(jí)。 本文還研究了Ti摻雜γ-Al2O3的體結(jié)構(gòu)與(110)面電子結(jié)構(gòu)特性。計(jì)算所得能帶結(jié)構(gòu)與分波態(tài)密度圖譜顯示Ti的d軌道電子對(duì)導(dǎo)帶底部有明顯貢獻(xiàn)，使得晶體的導(dǎo)帶底部向下展寬，造成禁帶寬度大幅減小；計(jì)算表明，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(zhì)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(diǎn)；Ti摻雜引入的“濕電子態(tài)”效應(yīng)可增加電子躍遷入導(dǎo)帶的幾率。 最后，本文通過(guò)兩個(gè)具體實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證部分理論計(jì)算結(jié)果。一是采用新型耐水合試劑對(duì)鋁電極箔進(jìn)行耐水合處理，紅外光譜和原子力顯微鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)處理后的鋁電極箔耐水合效果良好，驗(yàn)證了計(jì)算所得的鋁介質(zhì)膜表面H2O吸附結(jié)果；二是采用水解沉積-陽(yáng)極氧化技術(shù)在鋁電極箔表面制備Al-Ti復(fù)合介質(zhì)