專利名稱：一種表征金屬有機(jī)雙層薄膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬薄膜傳質(zhì)表征技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種表征金屬有機(jī)雙層薄膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的方法。
背景技術(shù)：
傳質(zhì)特性是材料的基本性質(zhì)之一。一般固體中的傳質(zhì)過程主要包括由濃度差別和隨機(jī)行走引起的擴(kuò)散(diffusion)和在場力(化學(xué)位梯度、外加與自建電場、磁場等)作用下的定向移動(transport)。單層厚度為納米尺寸(1～100nm)的金屬有機(jī)雙層膜體系在磁、電、光學(xué)器件和半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。由于這些膜的層厚很小，亞層之間極易發(fā)生互擴(kuò)散。另一方面，由于成膜物質(zhì)不同，各層中電子狀態(tài)不同，由此可以導(dǎo)致場致遷移引起的加速傳質(zhì)。澄清納米尺度下薄膜中的物質(zhì)傳輸特有規(guī)律，對于納米結(jié)構(gòu)膜的制備、可控納米結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)、膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及薄膜應(yīng)用，具有重要的意義。
而要系統(tǒng)研究納米尺度下薄膜的傳質(zhì)規(guī)律，傳質(zhì)動力學(xué)過程的表征是最為重要而基礎(chǔ)的一方面，其在探求界面反應(yīng)速率、影響因素、動力學(xué)規(guī)律及擴(kuò)散參數(shù)獲取等動力學(xué)問題中都是不可或缺的。已有的動力學(xué)表征方法主要涉及稱重法和膜厚測量法。但它們在納米尺度薄膜的表征中都有明顯的局限性。在金屬有機(jī)雙層膜的傳質(zhì)研究中，由于體系無質(zhì)量改變，因此無法用增重法進(jìn)行測量。另外，如采用SEM等直接測量方法確定樣品的傳質(zhì)厚度，則一般適用于相對較厚的膜，同時還存在操作的復(fù)雜性([1]Vermoyal J J，F(xiàn)richet A，Dessemond L，Journal of Nuclear Materials，2004，32831)；而臺階儀僅適用于可以分離界面的場合([2]Lahiri S K，Waablib Singh N K，Heng K W，Ang L，Goh L C，MicroelectronicsJournal，1998，29335)；橢偏技術(shù)則無法表征膜層間發(fā)生的絡(luò)合反應(yīng)([3]Ponpon J P，Grob JJ，Grob A，Stuck R J，Applied Physics，1986，593921)。此外，其他常用的微觀表征方法如SIMS、HREM、STM/AFM等主要適用于靜態(tài)問題，而在探求動力學(xué)問題上，則存在著一定的局限。
因此，針對傳統(tǒng)表征手段在納米尺度薄膜體系應(yīng)用的局限性，需要尋找到適用于納米尺度薄膜傳質(zhì)研究的簡易表征手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于建立一種適合表征納米尺度金屬有機(jī)雙層膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的方法，使得傳質(zhì)測量厚度可以降低至10納米以下。
本發(fā)明提出的表征金屬有機(jī)雙層薄膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的方法，是通過引入透射光譜，反應(yīng)薄膜傳質(zhì)過程和傳質(zhì)時間，從而表征傳質(zhì)動力學(xué)過程。具體分為3個步驟首先，確定體系標(biāo)準(zhǔn)透射光譜 制備不同厚度的金屬有機(jī)雙層膜，并置于一定條件下使其充分傳質(zhì)，測量傳質(zhì)過程完成后的透射光譜曲線，得到傳質(zhì)過程結(jié)束時的標(biāo)準(zhǔn)透射光譜，作為對比曲線。
其次，確定某一厚度樣品傳質(zhì)完成時間 將制備的金屬有機(jī)雙層膜樣品(其中單層膜厚度為5～100nm)，每隔一定時間(一般為1-5分鐘)測量其透射光譜曲線。透射光譜曲線形狀的變化即反應(yīng)了傳質(zhì)過程的進(jìn)行，并不斷將光譜與標(biāo)準(zhǔn)透射光譜比較。當(dāng)透射光譜不再變化時，即將該時間作為傳質(zhì)過程完成的時間。
最后，獲取傳質(zhì)動力學(xué)曲線 制備一系列不同厚度的薄膜樣品，測量其傳質(zhì)完成的時間，最終可得到薄膜厚度與傳質(zhì)完成時間的關(guān)系，即傳質(zhì)動力學(xué)規(guī)律。
上述方法中，透射光譜測量時間間隔根據(jù)薄膜厚度及具體退火條件而定，一般選取為1～5分鐘。
上述方法所測得的傳質(zhì)曲線，可定量給出相關(guān)傳質(zhì)參數(shù)，如納米膜的擴(kuò)散系數(shù)和對應(yīng)的激活能，并可揭示納米尺度下的特殊傳輸規(guī)律。
本發(fā)明方法可適用各種金屬有機(jī)雙層薄膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的表征。


圖1為AgTCNQ薄膜標(biāo)準(zhǔn)透射譜線。
圖2為Ag/TCNQ金屬有機(jī)雙層膜傳質(zhì)過程中，其透射光譜曲線隨時間的變化。
圖3為某波長處的投射率與時間的關(guān)系，其中圖3(a)為在500nm處的透射率與時間的關(guān)系，圖3(b)為在650nm處的透射率與時間的關(guān)系。
圖4為Ag/TCNQ雙層膜傳質(zhì)曲線，其中圖4(a)為Ag膜厚與傳質(zhì)時間的關(guān)系，圖4(b)為Ag膜厚平方與傳質(zhì)時間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
步驟一確定體系標(biāo)準(zhǔn)透射光譜 制備不同厚度(例如以1nm或2nm或3nm遞增)金屬有機(jī)雙層膜，置于一定條件下(如大氣環(huán)境，常溫)使其充分傳質(zhì)，測量傳質(zhì)過程完成后的透射光譜，得到傳質(zhì)過程結(jié)束時的標(biāo)準(zhǔn)透射光譜，以作對比。
步驟二確定某一厚度樣品傳質(zhì)完成時間 將制備的雙層膜樣品每隔一定時間(如1-5分鐘))測量其透射光譜曲線。透射光譜曲線形狀的變化即反應(yīng)了傳質(zhì)過程的進(jìn)行，并不斷將光譜與步驟1所得的標(biāo)準(zhǔn)透射光譜比較。當(dāng)透射光譜不再變化時，即將該時間作為傳質(zhì)過程完成的時間。
步驟三獲取傳質(zhì)動力學(xué)曲線 制備一系列不同厚度(例如以1nm或2nm或3nm遞增)的薄膜樣品，測量其傳質(zhì)完成的時間，最終可得到薄膜厚度與傳質(zhì)完成時間的關(guān)系，即傳質(zhì)動力學(xué)規(guī)律。
下面舉一則具體測量例子對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
表征Ag/TCNQ金屬有機(jī)雙層薄膜的傳質(zhì)動力學(xué)過程。
采用真空蒸發(fā)的方法，制備不同厚度的Ag/TCNQ薄膜樣品，基板底層為Ag，上層為TCNQ薄膜。將樣品置于大氣環(huán)境使其充分傳質(zhì)，溫度為25℃。對Ag初始厚度為7、8、9、10、11nm的Ag/TCNQ薄膜在充分反應(yīng)后的透射光譜測量結(jié)果如圖1所示。隨膜厚的增大，透射光強(qiáng)逐漸變?nèi)?，但峰的形狀與位置幾乎不變，和標(biāo)準(zhǔn)的AgTCNQ金屬有機(jī)絡(luò)合物鐘形曲線([4]Potember R S，Hoffman R C，Poehler T O，John Hopkins APL Tech.Dig.1986，7129)吻合。隨后，每隔一定時間測量某一厚度Ag/TCNQ雙層膜樣品的透射譜線，以確定該厚度樣品的傳質(zhì)時間，圖2為Ag膜厚為13nm的透射曲線隨時間的變化。由圖可見，開始時樣品的透射率很低，隨著時間的推移，波長為500nm處的透射率不斷升高，最后形成了與標(biāo)準(zhǔn)譜形狀相同的一條曲線。根據(jù)圖2，我們可得到波長為500nm和650nm處的透射率與時間的關(guān)系曲線，如圖3(a)和3(b)所示。從圖中可以看出，在27min后，薄膜的透射率基本上保持不變，因此，此薄膜完成傳質(zhì)的時間為27min。研究不同厚度下薄膜的傳質(zhì)時間，以Ag/TCNQ中的膜厚為橫坐標(biāo)，以傳質(zhì)完成時間為縱坐標(biāo)作圖，得到傳質(zhì)曲線，如圖4(a)所示。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到t-x2曲線，如圖4(b)所示。從圖中可以看出，當(dāng)Ag膜較厚(x＞13nm)時，Ag/TCNQ的傳質(zhì)規(guī)律與傳統(tǒng)擴(kuò)散情況相似，符合拋物線規(guī)律；當(dāng)Ag膜較薄(x＜10nm)時，Ag的傳質(zhì)出現(xiàn)異常加速。厚膜情況下的傳質(zhì)常數(shù)k1＝5.56×10-17cm2/s；薄膜情況下的傳質(zhì)常數(shù)k2＝1.13×10-15cm2/s。由此可見，在膜很薄時，Ag的傳質(zhì)極快，其傳質(zhì)常數(shù)可比厚膜情況大一個數(shù)量級以上。以上結(jié)果說明了該方法在表征納米尺度膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的有效性及其在揭示納米尺度特殊傳質(zhì)規(guī)律的重要意義。
權(quán)利要求
1.一種表征金屬有機(jī)雙層薄膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的方法，其特征在于引入透射光譜以反映傳質(zhì)過程及傳質(zhì)時間，具體步驟如下(1)確定體系標(biāo)準(zhǔn)透射光譜制備不同厚度金屬有機(jī)雙層膜，置于一定條件下使其充分傳質(zhì)，測量傳質(zhì)過程完成后的透射光譜曲線，得到標(biāo)準(zhǔn)透射光譜，作為對比曲線；(2)確定某一厚度樣品傳質(zhì)完成時間將制備的金屬有機(jī)雙層膜樣品每隔1-5分鐘測量其透射光譜曲線，并不斷將光譜與步驟(1)所得的標(biāo)準(zhǔn)透射光譜比較，當(dāng)透射光譜不再變化時，即將該時間作為傳質(zhì)過程完成的時間；(3)獲取傳質(zhì)動力學(xué)曲線制備一系列不同厚度的金屬有機(jī)雙層薄膜樣品，測量其傳質(zhì)完成的時間，最終得到薄膜厚度與傳質(zhì)完成時間的關(guān)系，即傳質(zhì)動力學(xué)規(guī)律。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于單層膜厚度尺寸為5～100nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中的傳質(zhì)條件為大氣環(huán)境，常溫。
全文摘要
本發(fā)明屬于薄膜傳質(zhì)表征技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種表征金屬有機(jī)雙層薄膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的方法。本發(fā)明引入透射光譜法以建立適合納米尺度膜傳質(zhì)動力學(xué)過程的表征方法，表征尺度在5－20nm及以上范圍。該發(fā)明對于給出金屬有機(jī)納米膜體系的擴(kuò)散參量，揭示納米尺度異常傳質(zhì)現(xiàn)象，具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G01N21/59GK1793847SQ20051011106
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者蔣益明, 鐘澄, 羅宇峰, 謝亨博, 李勁 申請人:復(fù)旦大學(xué)