pd／y薄膜在氣態(tài)吸放氫過程中的表面形貌和可轉(zhuǎn)換光學(xué)特性

1、 第 3 9卷 2 0 0 3年 9月第 9期 9 7 4 — 9 7 8頁 金 屬 學(xué) 玫 ACTA M ET AL L URGI CAS I NI CAV_ 0 1 ． 3 9S e p t ． 2 0 0 3N09 -| 鬻 P P ． 9 7 4 - 9 7 8P d ／ Y薄膜在氣態(tài)吸放氫過程中的 表面形貌和可轉(zhuǎn)換光學(xué)特性 張文魁 黃 輝 甘 永平 ( 浙江工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，杭州 3 1 0 0 1 4 )楊 曉光 余 厲

2、 陽 ( 浙江大學(xué)材料與化工學(xué)院，杭州 3 1 0 0 2 7 )摘 要 利用 直流磁控 濺射法制備了 P d ／ Y稀土 薄膜， 研究了薄膜在 氣態(tài)吸放氫 過程中 表面形貌及光 學(xué)特性變化． 研究表明，采用磁控濺射法制備的薄膜具有柱狀晶結(jié)構(gòu)，最外層的 Pd層為納米級的孤 島狀顆粒結(jié)構(gòu)．室溫氣態(tài)充氫過程 中，在 P d顆粒催 化作用下， Y 可形成氫化物 YH 3和 YH2 ， 形成氫化物 的局部區(qū)域發(fā) 生膨脹開裂．在氣態(tài)充氫過程 中，

3、 薄膜的透光率繾充氫時間 和入射光波長的增加而增加，由于 YH3自身禁帶寬度的原因，在 A =4 0 0n m 處存在吸收限．放氫過程 中， YH3分解為 YH2 ，薄膜在 A =6 8 9n m 處透光率最大．關(guān)鍵詞 P d ／ Y稀土薄 膜， 表面形 貌， 可 轉(zhuǎn)換光學(xué)特 性 中圖法分類號 T Gl l 3 ． 2 ， T B 4 3文獻標(biāo)識碼 A文章編號 0 4 1 2 — 1 9 6 1 ( 2 0 0 3 ) 0 9 — 0

4、9 7 4 — 0 5SU R FACE M o R PH o Lo G Y A N D S W I T CH A BLE o PTI CA L PRoPERTI ESOF Pd／ Y FI LM SD URI N G GA SHY DRoG EN ABS ORPTI oN ／ DES oRPTI oN PRo CES SZHANG W e nk ui ，H UAN G Hu i ，GAN Yo n q p i

5、n qDe p a r t me n to fAp p l i e dCh e mi s t r y ， Z h e j i a n gUn i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y , Ha n g z h o u3 1 0 0 1 4Y ANG Xi a o g u a n g ，YU L i y a n gI n s t i t u t eo fMa t e r i a l sa n dCh e

6、 mi c a lE n g i n e e r i n g ， Z h ~ i a n gU n i v e r s i t y , H a n g z h o u3 1 0 0 2 7C o r r e s p o n d e n t ：Z H AN GWe n k u i , p r o f e s s o r , T e l ：( o 5 7 1 8 8 3 2 0 3 9 4 ． E ． ma i l ： e c h e m@

7、 z j u t ． e d u ． c nS u p p o r t e db yNa t i o n a lNa t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a( No ． 5 9 9 7 1 0 4 6 )Ma ns c r i F ． tr e c e i v e d2 0 0 2 - 1 1 — 1 2 ． i nr e v i s e df o r m2 0 0 3

8、 - 0 2 - 2 5AB S T RAC TT h es u r f a c em o r p h o l o g ya n do p t i c a lp r o p e r t i e so ft h eP d ／ Yf i l msp r e p a r e db yma g n e t r o n — s p u t t e r i n gw e r eo b s e r v e da n dm e a s u r e d

9、．P d ／ Yf i l m sa r eo fp l a n a rs t r u c t u r ea ndt h eP dc o v e rl a y e ro nYf i l m si so fn a n o — s i z e di s l a n ds t r u c t u r e ． D u r i n gg a sh y d r o g e na b s o r p t i o n ／ d e s o r p t i

10、 o np r o c e s s ，YH3a n dYH2h y d r i d e sf o r me da tt h ec o n t a c t i n gs i t e so fP dp a r t i c l e swi t hY g r a i n ~u n d e rc a t a l y s i so fPd ． Du r i n gt h ep r o c e s so fh y d r o g e na b s

11、o r b i n g ， YH3h y d r i d ef o r me d ． Th et r a m q mi ~ s i o nr a t i oo ft h ef i l msi n c r e a s e swi t hi n c r e a si n go fh y d r o g e n a t i o nt i mea n df i g h twa v e l e n g t h ， t h ea b s o r p

12、 t i o nl i m i t a t i o no c c u r sa tA =4 0 0n m d u et ot h eg a po ff e r b i d d e nb a n do fy t t r i u m ． Du r i n gt h eh y d r o g e nd e s o r b i n g ， YH3h y d r i d ed i s s o c i a t e sa n dt r a n s

13、f o r m st oYH2h y d r i d e ， t h et r a n s m i s s i o nr a t i or e a c h e st oma x i mu m a tA =6 8 9n m ．KE Y W O RDSP d ／ Yf i l m， mo r p h o l o g y ， s w i t c h a b l ep r o p e r t y稀土氫化物薄 膜的可轉(zhuǎn)換光學(xué)特性是近年來發(fā)現(xiàn)的

14、 一 個新 的物理現(xiàn)象．1 9 9 5年， Hu i b e r t s等 【 1 】在研 究稀土 Y( 釔) 薄膜的吸放氫特性時，發(fā)現(xiàn)釔氫化物薄膜 在吸放氫過程中具有可轉(zhuǎn)換光學(xué)特性， 引起了人們極大興 趣，隨后許多研究者對這一領(lǐng)域進行了深入研究 [ 2 - 7 】 ，國家 自然科學(xué)基金資助項 目 5 9 9 7 1 0 4 6收到初稿 日 期 ：2 0 0 2 — 1 1 — 1 2 ， 收到修改稿 日期 ：2 0 0 3 - 0 2

15、 - 2 5作者簡介 ： 張文魁，男， 1 9 6 9年生，博士，教授 發(fā)現(xiàn)大多數(shù)可形成三氫化物的稀土元素如 L a ，C e ，P r ，S m，G d 等的薄膜均表現(xiàn) 出可逆光學(xué)特性 ，同時許多稀 土合金如 Y ／ L a ， M g ／ L a ， G d ／ Mg ， S m／ Mg ， L u ／ M g和Y ／ Mg 等的薄膜也具有可轉(zhuǎn)換光學(xué)特性． 通過改變薄膜中的氫含量，可以改變薄膜的光學(xué)特性．因此，可轉(zhuǎn)換光學(xué) 特性是稀土

16、元素的一個共同的特性．除了可采用氣態(tài)吸放氫的方法改變稀土薄 膜的光學(xué) 特性外， No t t e n等 發(fā)現(xiàn)，采用 K OH 作為電解質(zhì)，對表層覆蓋 P d的 Y 薄膜進行充電和放電，薄膜在數(shù)秒 維普資訊 http://www.cqvip.com 9 7 6金 屬 學(xué) 報 圉 2 基體溫度為 2 5℃時薄膜的 S E M 圖及 AF M 分析圖 像 F i g ． 2S E M i ma g e( a ) a n dA F M i

17、 ma g e( b ) o fP d ／ Yf i l m d e p o s i t e do ng l a s ss u b s t r a t ea t2 5 ℃ ，s h o wi n gPdf i l m c on s i s t i ngo fp a r t i c l e s圉 3P d ／ Y薄膜經(jīng)過氣態(tài)充氫后的 XR D譜 ( 2 5℃，氫氣 壓力 P H 2=1 0P a )F i g ． 3X R Dp a

18、t t e r nf o rh y d r o g e n a t i o nP d ／ Yf i l ms( 2 5℃， h y d r o g e np r e s s u r eP H 2= 1 0P a )圖4是氣態(tài)充氫后 P d ／ Y 薄膜表面 S E M 圖， 如圖所示，經(jīng)過氣態(tài)充氫后， P d ／ Y 薄膜表面出現(xiàn)了大量微 米級的小顆粒， 能譜分析和 XR D 分析表明， 這些小顆粒 為 YH2 氫化物，其中含有大量的

19、P d ． 結(jié)合 Y 的吸放氫 特性，Y 在室溫下的低壓氫氣氛中很難吸氫，只有在高 溫 ( 數(shù)百度)的氫氣氛中才能緩慢吸氫形成氫化物．但是 在 P d等氫催化元素存在的情況下，室溫時 Y 可發(fā)生以 圉 4P d ／ Y 薄膜氣態(tài)充氫后的表面 S E M 圖及表面形貌局 部放大 圖Fi g ． 4S E M p h o t o g r a p h( a ) a n de n l a r g e me n t ( c r 池 c a nb

20、 es e e n )( b )o fP d ／ Yf i l m a f t e rh y d r o g e n a t i o nr XRD a n dEDSi n d i c a t i n gt h e s ep a r t i c l e st ob eYH2 1F 反 應(yīng) H 2 +P d _ + 2 H ( P d )( 2 )2 H+Y_ + Y H 2Y H 3( 3 )形成的 Y H3 氫化物放置于大氣中可發(fā)

21、生分解， 變成 Y H2氫 化物 2 Y H 3 _ + 2 Y H 2 +H 2( 4 )前面的研究表 明， P d以孤島顆粒狀分布在 Y 薄膜 表面 ( 如圖 2 ) ， 充氫時，與 P d顆粒接觸處的氫氣被催化 分解出氫原子，氫原子被與 P d顆粒接觸處的 Y 吸收而 形成氫化物．由于室溫下氫在薄膜內(nèi)擴散困難，因此未與 P d直接接觸的 Y 薄膜，則較難形成氫化物．Y 形成氫 化物后，由于體積發(fā)生膨脹，使薄膜局部出現(xiàn)微裂紋 ( 如

22、 圖 4所示) ．2 ． 2P d ／ Y 薄膜在吸放氫過程中的光學(xué)特性變化 圖 5 a ， b為 P d ／ Y 薄膜在氣態(tài)吸氫和放氫時的光學(xué)性能變化， 由圖 5 a 看出， 隨著充氫時間的增加， 薄膜的透 光率逐漸增加， 接近至 1 ． 5時， 不再增加． 根據(jù) H u i b e r t s等 的實驗結(jié)果，這意味著 YH 3的生成．圖 6 a ， b顯示 Y H3和 Y H2對不同波長光的透光率變化，由圖 6 a看 維普資訊 ht