金属有机双层膜传质规律及其机理研究

论文摘要

传质特性是材料的基本性质之一，在电子器件的制造、工艺、失效分析与可靠性评估等诸多应用领域中，均涉及到传质问题。近年来由于金属有机物复合薄膜体系在有机发光、光电信息存贮、纳米电子器件等领域中的广泛应用，使得金属与有机物双层膜之间的传质过程成为一个非常值得关心的重要科学问题。澄清薄膜中的传质规律对特殊结构膜的制备、可控纳米结构的实现、薄膜结构的稳定性以及薄膜应用与失效分析等都具有重要意义。本文选取电子亲合力差别较大的两种组元（Ag与TCNQ）制备成金属／有机双层膜体系，在确保其化学配比和物理化学稳定性的基础上，讨论了金属有机络合物薄膜的电学性能；对不同厚度膜层在化学位梯度与自建电场作用下的传质行为进行了实验研究和理论分析；系统考察了湿度对传质过程的影响，揭示了其中的特殊现象和规律，深入探讨了传质过程的机制。所得结果对于金属有机双层膜的快速制备，相关膜层的失效分析具有重要指导作用，主要结果如下：1．采用分层蒸发技术，利用透射光谱作标定，得到化学配比良好的Ag／TCNQ双层膜体系。2．采用透射光谱作为表征手段，利用扩散反应对Ag／TCNQ双层膜的传质行为进行研究，发现超薄膜情况下的异常加速传质现象，厚膜情况下传质常数k=3.62x10-16cm2／s；薄膜情况下至少可增加1个数量级。3．从场致迁移理论出发分别建立了隧穿（薄膜）与非隧穿（厚膜）条件下的金属离子传质模型，解释了厚膜与薄膜的传质实验结果，指出厚膜情况下传质过程符合抛物线规律；而在薄膜情况下传质过程符合反对数规律。4．采用不同条件控制环境中湿度，观测Ag／TCNQ双层膜传质过程。发现湿度对传质有显著的加速作用，用电化学模型对该加速现象给出理论解释，指出在湿条件下，传质由干条件下的固体化学扩散机制转变为水溶液中的电化学机制。5．在湿度控制的Ag／TCNQ双层膜传质研究中，发现了传质速度与湿度的反比规律，从表面吸附的相关理论提出了湿度控制传质模型，证明湿环境加速传质的控制步骤为水分子在有机膜上的吸附。6．对不同膜厚样品进行传质研究中，用毛细吸附理论推算出Ag／TCNQ膜表面等效孔半径为15（?），且基本不随膜厚改变。7．在认识到了湿度对Ag／TCNQ双层膜传质过程中的加速作用这一现象及其电化学机理后，对原有的真空镀膜方法进行了改进，提出了一种制备金属有机络合物电双稳薄膜的新方法，其特点是结合了真空镀膜方法和电化学方法制备超平纳米薄膜，使得到的薄膜即具有真空方法表面形貌好，性能稳定的优点，又同时具备化学方法组分配比严格的优点。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 金属有机双层膜传质的研究背景
• 1.1 引言
• 1.2 M-TCNQ络合物薄膜的性质及其应用
• 1.2.1 电双稳特性和电双稳材料
• 1.2.2 金属有机络合物电双稳薄膜
• 1.3 薄膜中的传质
• 1.3.1 扩散的宏观规律
• 1.3.2 扩散的微观机制
• 1.3.3 扩散系数及其影响因素
• 1.3.4 扩散的热力学分析
• 1.3.5 反应扩散
• 1.3.6 纳米膜的传质
• 1.3.7 金属有机薄膜传质中的主要科学问题
• 1.4 相关研究现状
• 1.5 本文的工作
• 1.6 小结
• 第二章 AG-TCNQ薄膜的制备与结构性能分析
• 2.1 引言
• 2.2 双源蒸发法制备AG/TCNQ双层膜
• 2.2.1 真空蒸发设备
• 2.2.2 薄膜厚度控制
• 2.3 薄膜组分控制
• 2.3.1 Ag与TCNQ比例控制
• 2.3.2 薄膜厚度的影响
• 2.4 AG-TCNQ结构组成分析
• 2.4.1 X光衍射分析（XRD）
• 2.4.2 X光电子谱分析（XPS）
• 2.4.3 傅立叶红外光射谱分析（FTIR）
• 2.4.4 原子力显微镜形貌分析（AFM）
• 2.5 AG-TCNQ薄膜的一般电学性质
• 2.5.1 测试单元和测试线路
• 2.5.2 阈值电压和跃迁时间
• 2.5.3 非线性I-V关系
• 2.6 AG-TCNQ薄膜电双稳特性机理
• 2.7 小结
• 第三章 金属有机双层膜传质实验条件及表征
• 3.1 引言
• 3.2 传质的实验条件
• 3.2.1 一般情况下的实验条件
• 3.2.2 温度控制
• 3.2.3 传质实验条件
• 3.3 传质过程的表征—透射光谱法
• 3.3.1 原理和设备
• 3.3.2 传质过程表征
• 3.4 小结
• 第四章 金属有机双层膜传质的实验规律及机理
• 4.1 引言
• 4.2 传质的实验规律
• 4.3 传质模型的建立及其与实验结果的比较
• 4.3.1 模型假设
• 4.3.2 厚膜模型
• 4.3.3 薄膜模型
• 4.3.4 理论模型与实验结果对比
• 4.4 传质机制
• 4.4.1 不同温度下的传质动力学
• 4.4.2 传质机制
• 4.5 小结
• 第五章 环境对金属有机双层膜传质的影响
• 5.1 引言
• 5.2 湿度对传质的影响
• 5.2.1 不同环境下的传质行为
• 5.2.2 Ag-TCNQ的传质曲线
• 5.2.3 Cu-TCNQ的传质曲线
• 5.2.4 传质加速的电化学解释
• 5.3 湿度控制的传质现象及其理论分析
• 5.3.1 传质的串级过程及控制步骤
• 5.3.2 传质模型及理论分析
• 5.3.3 理论与实验的比较
• 5.4 AG-TCNQ薄膜等效孔径研究
• 5.4.1 膜的孔隙
• 5.4.2 吸附脱附法
• 5.4.3 水蒸汽在金属表面的吸附凝聚
• 5.4.4 Ag-TCNQ表面等效孔径
• 5.5 小结
• 第六章 一种制备金属有机络合物薄膜的新方法
• 6.1 引言
• 6.2 传统的金属有机络合物制备方法及其优缺点
• 6.2.1 化学方法
• 6.2.2 旋涂方法
• 6.2.3 真空方法
• 6.2.4 其他方法
• 6.3 一种新的金属有机络合物制备方法
• 6.3.1 方法步骤
• 6.3.2 薄膜的透射光谱
• 6.3.3 薄膜的表面形貌
• 6.3.4 薄膜电双稳特性测试
• 6.4 小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 后记