材料学专业毕业论文材料学专业毕业论文 精品论文精品论文 基于基于“湿电子态湿电子态”效应的铝介效应的铝介质膜质膜-HO-HO 互作用机制研究互作用机制研究关键词：铝介质膜关键词：铝介质膜 铝电极箔铝电极箔 湿电子态湿电子态 耐水合处理耐水合处理摘要：作为介质膜使用的铝的氧化物(Al2O3)与水(H2O)分子的作用机理在多个 领域中有着重要的作用，对高比容铝电极箔的耐水合特性也有着重要影响。本 文以近年来国际上提出的“湿电子态”效应为依据，晶型 -Al2O3 为研究对象， 基于密度泛函的第一性原理计算为工具，研究 H2O 在晶型 -Al2O3 表面的吸附 作用机理。 首先研究了 -Al2O3 晶体的体结构与其(110)表面的电子结构。 计算得到了体结构能带结构与态密度分布等信息，晶格常数为 0.571nm。研究 了(110)面上 8 层 Al、O 原子的驰豫规律，确定了 5 个原子层为后续研究所需的 最小层数。计算了稳定状态下(110)面原子排列分布等电子结构信息，确定(110)面 上的四个高对称几何位置作为后续研究的水分子最大可能吸附点。 其次研究 了 -Al2O3(110)面上水分子的吸附情况。计算结果显示水分子在 - Al2O3(110)面上的三个高对称位置上发生了吸附：四面体型终端 Al 原子正上方、 八面体型 Al 原子终端正上方以及暴露的次表面层 Al 原子正上方，而在 Al-O 键 桥上 H2O 分子不能存在。计算得到的分波态密度图谱显系统在费米能级上方 2.22.4eV 的导带内可产生“湿电子态”新能级。 本文还研究了 Ti 掺杂 -Al2O3 的体结构与(110)面电子结构特性。计算所得能带结构与分波态密度 图谱显示 Ti 的 d 轨道电子对导带底部有明显贡献，使得晶体的导带底部向下展 宽，造成禁带宽度大幅减小；计算表明，间隙式掺杂不易发生，最有可能的还 是替位式掺杂。在替位式掺杂中，杂质 Ti 原子倾向于固定在氧化物的表面；掺 Ti 后的 -Al2O3(110)面上 Ti 的正上方也是 H2O 吸附活性点；Ti 掺杂引入的 “湿电子态”效应可增加电子跃迁入导带的几率。 最后，本文通过两个具体 实验来验证部分理论计算结果。一是采用新型耐水合试剂对铝电极箔进行耐水 合处理，红外光谱和原子力显微镜检测发现处理后的铝电极箔耐水合效果良好， 验证了计算所得的铝介质膜表面 H2O 吸附结果；二是采用水解沉积-阳极氧化技 术在铝电极箔表面制备 Al-Ti 复合介质膜，AES 检测结果显示 Ti 元素在表面较 为富集，试制的电容器漏电流测试显示掺 Ti 后样品漏电流大于未掺 Ti 样品， 这与 Al-Ti 计算中有关 Ti 掺杂引入“湿电子态”结论相吻合。正文内容正文内容作为介质膜使用的铝的氧化物(Al2O3)与水(H2O)分子的作用机理在多个领 域中有着重要的作用，对高比容铝电极箔的耐水合特性也有着重要影响。本文 以近年来国际上提出的“湿电子态”效应为依据，晶型 -Al2O3 为研究对象， 基于密度泛函的第一性原理计算为工具，研究 H2O 在晶型 -Al2O3 表面的吸附 作用机理。 首先研究了 -Al2O3 晶体的体结构与其(110)表面的电子结构。 计算得到了体结构能带结构与态密度分布等信息，晶格常数为 0.571nm。研究 了(110)面上 8 层 Al、O 原子的驰豫规律，确定了 5 个原子层为后续研究所需的 最小层数。计算了稳定状态下(110)面原子排列分布等电子结构信息，确定(110)面 上的四个高对称几何位置作为后续研究的水分子最大可能吸附点。 其次研究 了 -Al2O3(110)面上水分子的吸附情况。计算结果显示水分子在 - Al2O3(110)面上的三个高对称位置上发生了吸附：四面体型终端 Al 原子正上方、 八面体型 Al 原子终端正上方以及暴露的次表面层 Al 原子正上方，而在 Al-O 键 桥上 H2O 分子不能存在。计算得到的分波态密度图谱显系统在费米能级上方 2.22.4eV 的导带内可产生“湿电子态”新能级。 本文还研究了 Ti 掺杂 -Al2O3 的体结构与(110)面电子结构特性。计算所得能带结构与分波态密度 图谱显示 Ti 的 d 轨道电子对导带底部有明显贡献，使得晶体的导带底部向下展 宽，造成禁带宽度大幅减小；计算表明，间隙式掺杂不易发生，最有可能的还 是替位式掺杂。在替位式掺杂中，杂质 Ti 原子倾向于固定在氧化物的表面；掺 Ti 后的 -Al2O3(110)面上 Ti 的正上方也是 H2O 吸附活性点；Ti 掺杂引入的 “湿电子态”效应可增加电子跃迁入导带的几率。 最后，本文通过两个具体 实验来验证部分理论计算结果。一是采用新型耐水合试剂对铝电极箔进行耐水 合处理，红外光谱和原子力显微镜检测发现处理后的铝电极箔耐水合效果良好， 验证了计算所得的铝介质膜表面 H2O 吸附结果；二是采用水解沉积-阳极氧化技 术在铝电极箔表面制备 Al-Ti 复合介质膜，AES 检测结果显示 Ti 元素在表面较 为富集，试制的电容器漏电流测试显示掺 Ti 后样品漏电流大于未掺 Ti 样品， 这与 Al-Ti 计算中有关 Ti 掺杂引入“湿电子态”结论相吻合。 作为介质膜使用的铝的氧化物(Al2O3)与水(H2O)分子的作用机理在多个领域中 有着重要的作用，对高比容铝电极箔的耐水合特性也有着重要影响。本文以近 年来国际上提出的“湿电子态”效应为依据，晶型 -Al2O3 为研究对象，基于 密度泛函的第一性原理计算为工具，研究 H2O 在晶型 -Al2O3 表面的吸附作用 机理。 首先研究了 -Al2O3 晶体的体结构与其(110)表面的电子结构。计算 得到了体结构能带结构与态密度分布等信息，晶格常数为 0.571nm。研究了 (110)面上 8 层 Al、O 原子的驰豫规律，确定了 5 个原子层为后续研究所需的最 小层数。计算了稳定状态下(110)面原子排列分布等电子结构信息，确定(110) 面上的四个高对称几何位置作为后续研究的水分子最大可能吸附点。 其次研 究了 -Al2O3(110)面上水分子的吸附情况。计算结果显示水分子在 - Al2O3(110)面上的三个高对称位置上发生了吸附：四面体型终端 Al 原子正上方、 八面体型 Al 原子终端正上方以及暴露的次表面层 Al 原子正上方，而在 Al-O 键 桥上 H2O 分子不能存在。计算得到的分波态密度图谱显系统在费米能级上方 2.22.4eV 的导带内可产生“湿电子态”新能级。 本文还研究了 Ti 掺杂 -Al2O3 的体结构与(110)面电子结构特性。计算所得能带结构与分波态密度 图谱显示 Ti 的 d 轨道电子对导带底部有明显贡献，使得晶体的导带底部向下展宽，造成禁带宽度大幅减小；计算表明，间隙式掺杂不易发生，最有可能的还 是替位式掺杂。在替位式掺杂中，杂质 Ti 原子倾向于固定在氧化物的表面；掺 Ti 后的 -Al2O3(110)面上 Ti 的正上方也是 H2O 吸附活性点；Ti 掺杂引入的 “湿电子态”效应可增加电子跃迁入导带的几率。 最后，本文通过两个具体 实验来验证部分理论计算结果。一是采用新型耐水合试剂对铝电极箔进行耐水 合处理，红外光谱和原子力显微镜检测发现处理后的铝电极箔耐水合效果良好， 验证了计算所得的铝介质膜表面 H2O 吸附结果；二是采用水解沉积-阳极氧化技 术在铝电极箔表面制备 Al-Ti 复合介质膜，AES 检测结果显示 Ti 元素在表面较 为富集，试制的电容器漏电流测试显示掺 Ti 后样品漏电流大于未掺 Ti 样品， 这与 Al-Ti 计算中有关 Ti 掺杂引入“湿电子态”结论相吻合。 作为介质膜使用的铝的氧化物(Al2O3)与水(H2O)分子的作用机理在多个领域中 有着重要的作用，对高比容铝电极箔的耐水合特性也有着重要影响。本文以近 年来国际上提出的“湿电子态”效应为依据，晶型 -Al2O3 为研究对象，基于 密度泛函的第一性原理计算为工具，研究 H2O 在晶型 -Al2O3 表面的吸附作用 机理。 首先研究了 -Al2O3 晶体的体结构与其(110)表面的电子结构。计算 得到了体结构能带结构与态密度分布等信息，晶格常数为 0.571nm。研究了 (110)面上 8 层 Al、O 原子的驰豫规律，确定了 5 个原子层为后续研究所需的最 小层数。计算了稳定状态下(110)面原子排列分布等电子结构信息，确定(110) 面上的四个高对称几何位置作为后续研究的水分子最大可能吸附点。 其次研 究了 -Al2O3(110)面上水分子的吸附情况。计算结果显示水分子在 - Al2O3(110)面上的三个高对称位置上发生了吸附：四面体型终端 Al 原子正上方、 八面体型 Al 原子终端正上方以及暴露的次表面层 Al 原子正上方，而在 Al-O 键 桥上 H2O 分子不能存在。计算得到的分波态密度图谱显系统在费米能级上方 2.22.4eV 的导带内可产生“湿电子态”新能级。 本文还研究了 Ti 掺杂 -Al2O3 的体结构与(110)面电子结构特性。计算所得能带结构与分波态密度 图谱显示 Ti 的 d 轨道电子对导带底部有明显贡献，使得晶体的导带底部向下展 宽，造成禁带宽度大幅减小；计算表明，间隙式掺杂不易发生，最有可能的还 是替位式掺杂。在替位式掺杂中，杂质 Ti 原子倾向于固定在氧化物的表面；掺 Ti 后的 -Al2O3(110)面上 Ti 的正上方也是 H2O 吸附活性点；Ti 掺杂引入的 “湿电子态”效应可增加电子跃迁入导带的几率。 最后，本文通过两个具体 实验来验证部分理论计算结果。一是采用新型耐水合试剂对铝电极箔进行耐水 合处理，红外光谱和原子力显微镜检测发现处理后的铝电极箔耐水合效果良好， 验证了计算所得的铝介质膜表面 H2O 吸附结果；二是采用水解沉积-阳极氧化技 术在铝电极箔表面制备 Al-Ti 复合介质膜，AES 检测结果显示 Ti 元素在表面较 为富集，试制的电容器漏电流测试显示掺 Ti 后样品漏电流大于未掺 Ti 样品， 这与 Al-Ti 计算中有关 Ti 掺杂引入“湿电子态”结论相吻合。 作为介质膜使用的铝的氧化物(Al2O3)与水(H2O)分子的作用机理在多个领域中 有着重要的作用，对高比容铝电极箔的耐水合特性也有着重要影响。本文以近 年来国际上提出的“湿电子态”效应为依据，晶型 -Al2O3 为研究对象，基于 密度泛函的第一性原理计算为工具，研究 H2O 在晶型 -Al2O3 表面的吸附作用 机理。 首先研究了 -Al2O3 晶体的体结构与其(110)表面的电子结构。计算 得到了体结构能带结构与态密度分布等信息，晶格常数为 0.571nm。研究了 (110)面上 8 层 Al、O 原子的驰豫规律，确定了 5 个原子层为后续研究所需的最 小层数。计算了稳定状态下(110)面原子排列分布等电子结构信息，确定(110)面上的四个高对称几何位置作为后续研究的水分子最大可能吸附点。 其次研 究了 -Al2O3(110)面上水分子的吸附情况。计算结果显示水分子在 - Al2O3(110)面上的三个高对称位置上发生了吸附：四面体型终端 Al 原子正上方、 八面体型 Al 原子终端正上方以及暴露的次表面层 Al 原子正上方，而在 Al-O 键 桥上 H2O 分子不能存在。计算得到的分波态密度图谱显系统在费米能级上方 2.22.4eV 的导带内可产生“湿电子态”新能级。 本文还研究了 Ti 掺杂 -Al2O3 的体结构与(110)面电子结构特性。计算所得能带结构与分波态密度 图谱显示 Ti 的 d 轨道电子对导带底部有明显贡献，使得晶体的导带底部向下展 宽，造成禁带宽度大幅减小；计算表明，间隙式掺杂不易发生，最有可能的还 是替