上海交通大學輕合金ACS AMI：基于成分波動的不同結晶面積的Mg-Gd調制薄膜結構及其氫化性能的研究

youyoucao 2年前 (2021-07-31) 1095瀏覽

研究背景

憑借可再生、高效潔凈等優點，氫氣在航天、軍事、汽車、醫療和工業領域具有廣闊的應用前景，全球許多國家都在制定國家氫戰略。鎂基材料在加速氫能應用的進程上具有重要的價值,但是其推廣受限于鎂合金較高的熱力學和較低的動力學的特性。通過納米化和非晶化鎂基材料來改善其氫化性能是目前研究的熱點。但目前對于納米晶和非晶化改善薄膜氫化性能的能力，孰優孰劣尚未有準確的定論。退火能改變薄膜的結晶情況，但傳統的退火方式具有容易造成元素擴散和元素偏聚等弊端，因而如何有效地調控薄膜內部結晶情況一直是薄膜領域的科學研究問題。

成果簡介

上海交通大學輕合金液態精密成型研究中心的彭立明教授和陳娟副教授（通訊作者）團隊以Mg-Gd薄膜為研究對象，通過改變基底在樣品臺的擺放位置，使得濺射過程中濺射到基底上的原子速率變化，從而調控了薄膜內部的成分波動，在Mg-Gd薄膜整體成分不變的情況下，制備了一系列具有不同結晶情況的Mg-Gd調制結構薄膜，并研究了薄膜的組織結構和氫化性能。上述成果以“Effects of Amorphous and Nanocrystalline Structures on Hydrogen-induced Optical Performance of Modulated Mg-Gd Films with Various Composition Fluctuations”為題于2020年6月8號在ACS Applied Materials & Interfaces上在線發表。

圖文導讀

圖1 磁控共濺射沉積Mg-Gd調制薄膜示意圖

（a）磁控濺射設備的示意圖；（b）濺射時基底的位置和對應薄膜橫截面的結構示意圖。

為了得到內部結構差異較為明顯的薄膜，研究在較低轉速5 RPM下，選定樣品臺中心、邊緣及這兩個位置的中心處三個位置制備了三個樣品，分別記為SampleCen、SampleHal和SampleEdg。

圖2 SampleEdg微觀結構的研究結果

（a）Mg和Gd線掃描結果；（b）Mg-Gd層HRTEM圖像；（c）b中選定區域的FFT圖像；（d）CS-corrected HRTEM圖像；（e）d中選定區域的FFT圖像；（f）CS-corrected HAADF STEM圖像；（g）f中選定區域的放大；（h）g中選定區域的FFT圖像。

圖3 SampleCen微觀結構的研究結果

（a）Mg和Gd線掃描結果；（b）Mg-Gd層的HRTEM圖像；（c）b中正方形區域的FFT和（d）反FFT結果；（e）CS-corrected HRTEM圖像，圈出的面積為納米區域；（f）CS-corrected HAADF-STEM圖像。

圖4 FC / Pd / Mg-Gd薄膜的典型光學性能測量結果

（a）Mg-Gd調制薄膜的反射和（b）透射性能；（c）FC / Pd / Mg-Gd薄膜在980 nm波長下的氫化（Ar中0.4% H2，200 ml / min）和（d）脫氫（（空氣，300 ml / min））性能；（e）在不同氫化狀態下，FC / Pd / Mg-Gd薄膜光學形態的變化，包括金屬狀態（I），過渡狀態（II）和透明（III）狀態。該裝置放置于 “上海交通大學”徽標前。

鎂及鎂合金薄膜在吸脫氫過程中，薄膜在金屬初始反射態與半導體氫化透明態之間可逆轉變。憑借氫化時氫致變色的特性，鎂及鎂合金薄膜在調光玻璃、氫氣傳感器等等領域具有廣闊的應用前景。

小結

上述研究表明當基底在樣品臺中心和邊緣之間移動，通過改變樣品初始位置來改變膜內成分波動，此種共濺射法合成了具有不同結晶度的Mg0.7Gd0.3合金層。樣品臺邊緣處沉積的Mg0.7Gd0.3層具有明顯的調制層結構，薄膜內部成分波動和納米結晶區域較大，薄膜內貧Gd層中主要為fcc結構的Mg3Gd納米相，而富Gd層中主要為fcc結構的Mg2Gd納米晶。樣品臺中心位置沉積的Mg0.7Gd0.3薄膜含有較低的結晶度，薄膜內部成分波動較小，元素分布相對均勻，內部非晶區域較大。氫化性能的研究結果表明Mg-Gd層的結晶度對FC / Pd / Mg0.7Gd0.3調制薄膜氫化光學性能起著至關重要的作用。Mg-Gd層在樣品臺中心沉積、具有較大非晶區的FC / Pd / Mg0.7Gd0.3調制薄膜在30 s內實現了快速吸氫，在180 s內能夠完全脫氫。濺射Mg-Gd層時，隨著基底接近邊樣品臺邊緣，FC / Pd / Mg0.7Gd0.3膜內部結晶度增加，薄膜反射率光學變化區間由于層間相互作用提高了10%，達到75%，而此時透射率降低了4%，完全氫化所需的時間延長了近5倍。因此，相對于納米晶膜，非晶膜可以顯著改善薄膜的吸脫氫動力學。本實驗避免了退火調控薄膜結晶度時存在的弊端，對后續調控薄膜結晶度最終改善材料的氫化性能具有借鑒意義。

全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c04694

本文由作者團隊Nancy撰稿。

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