氮化鉬薄膜超級電容器電極的磁控濺射制備及其微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控目錄1緒論 51.1超級電容器概述 51.2超級電容器的優(yōu)缺點 61.3超級電容器的分類 61.3.1雙電層超級電容器 61.3.2法拉第贗電容器 71.3.3混合型超級電容器 81.4超級電容器電極材料 81.4.1碳基電極 81.4.2過渡金屬氮化物電極 91.4.3金屬氧化物電極 91.4.4導(dǎo)電聚合物電極 101.5影響電極材料比電容的因素 101.5.1比表面積 101.5.2多孔結(jié)構(gòu) 111.5.3導(dǎo)電性 111.6氮化物電極的制備方法 111.6.1氮化物電極的制備方法簡介 111.6.2物理氣相沉積技術(shù) 121.6.3薄膜的形成與生長概述 121.6.4PVD在氮化物薄膜電極中的應(yīng)用 131.7主要研究內(nèi)容 132涂層的制備及分析技術(shù) 142.1實驗主要設(shè)備和儀器 142.2鍍膜設(shè)備 142.3涂層的制備 142.3.1基體材料 142.3.2鍍膜工藝簡介 142.3.2MoN薄膜的制備 152.4物理表征方法 152.4.1物相結(jié)構(gòu)表征 152.4.2顯微結(jié)構(gòu)表征 152.3電化學(xué)表征方法 163MoN薄膜電極的制備及性能的研究 163.1引言 163.2結(jié)果與討論 163.2.1不同Ar/N2的MoN薄膜的物理表征 163.2.2不同Ar/N2的MoN薄膜的電化學(xué)表征 173.3結(jié)論 17結(jié)論和展望 17參考文獻 171緒論1.1超級電容器概述隨著全球科技的進步與發(fā)展，導(dǎo)致可再生能源和非可再生能源的快速消耗，因此人類對能源的需求正在增加。為了適應(yīng)未來社會與環(huán)境的發(fā)展，所以需要尋找清潔高效的新儲能轉(zhuǎn)換技術(shù)，在這一時代背景下超級電容器由此誕生，因具備眾多優(yōu)點而備受人們的關(guān)注。圖一為三種常用儲能器件的比能量與比功率的比較，其中包括傳統(tǒng)物理電容器、電池和超級電容器，即拉貢圖[1]。由于超級電容器多種優(yōu)異特性而脫穎而出，所以超級電容器應(yīng)用于多種領(lǐng)域，包括工業(yè)、交通、新能源等領(lǐng)域，具有很強的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景。在本文中，我們重點關(guān)注的是超級電容器氮化鉬薄膜電極材料的磁控制備及其電化學(xué)性能評估。其中還介紹了電化學(xué)的特性和原理其中包括歷史背景，還回顧了近年來超級電容器的研究進展，分析了氮化鉬薄膜電化學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。同時也對超級電容器面臨的挑戰(zhàn)和我們未來的研究方向進行了描述和分析。圖1傳統(tǒng)電容器、電池和超級電容器的拉貢圖比較[1]1.2超級電容器的優(yōu)缺點傳統(tǒng)的物理電容裝置的進行升級后成為超級電容器，也就是說在基于先前的電容器的進行了許多改進。優(yōu)點有：(1)功率密度高。能夠在短時間內(nèi)放出巨大的電流，輸出的最大功率可達300W/kg~3000W/kg，相當(dāng)于電池的幾十到千倍不等[2]，所以能夠能好地滿足更復(fù)雜、功率要求更高的電路環(huán)境。(2)具有極高的容量。和相同體積的普通電解液電容器相比，超級電容器的容量范圍下至0.1F上至6000F，容量整整大了上千倍[3]。(3)擁有更長的使用壽命。在蓄電池中，容易發(fā)生極板彎曲和熱失控等現(xiàn)象從而減少循環(huán)使用次數(shù)，而超級電容器的使用過程通常情況下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)都擁有較好的可逆性。特別是使用碳基材料作為超級電容器的電極，在理論上使用循環(huán)壽命大于十萬次以上，大大地超過了普通蓄電池的使用壽命[4]。(4)溫度范圍寬。由于超級電容器電極材料的反應(yīng)速率受溫度影響不大，而普通蓄電池的低溫與高溫環(huán)境下的工作性能較差。(5)能量轉(zhuǎn)換效率高。放電能夠支持較大電流，且放電過程損失小，當(dāng)使用較大電流的時候，能量循環(huán)效率大于百分之九十以上[5]。(6)綠色環(huán)保。超級電容器在生產(chǎn)及制作過程中，使用的都是對環(huán)境無污染的綠色材料，無其他重金屬和其他有害的化學(xué)物質(zhì)，所以是一種理想的綠色電源。缺點：(1)超級電容器安裝的位置需要有一定的要求，否則就會導(dǎo)致電容器的結(jié)構(gòu)性能會收到影響，主要是因為電解液泄漏等問題。(2)串聯(lián)時電壓均衡問題。(3)投入所需成本較高[6]。(4)能量密度較低。(5)不適合交流電路。1.3超級電容器的分類一般情況下，根據(jù)充放電機制的不同，超級電容器可以分為三類，包括雙電層電容器，法拉第贗電容器，以及混合型超級電容器。1.3.1雙電層超級電容器雙電層超級電容器的能量儲存主要是通過電解質(zhì)與電極之間的界面雙層來實現(xiàn)。如圖2所示[3]。在兩個被電解液浸沒電極間用電子絕緣的隔膜將分開來。當(dāng)雙層超級電容器充電時，兩個電極的表面匯集了大量的正負電荷，從而形成電容效應(yīng)。當(dāng)其放電時，電極表面的積攢的電荷重回電解液，在電路中產(chǎn)生放電電流。雙電層中的電荷密度大，再加上正負電荷之間的距離極短．因此電容量非常大。此電容器使用的電極材料大多數(shù)是碳基材料。容量大小與電極材料的孔隙率有一定的關(guān)系。理想情況下，當(dāng)電極材料孔隙率越大，同時電極材料的比表面積越大，雙電層電容也就越大。但孔隙率越高，電容器的容量可有可能會變小，所以想要提高孔隙率才能提高材料的有效比表面積，只有當(dāng)電極材料孔徑大小處于一定的大小時，才能夠提高雙電層電容[2]。圖2雙電層電容器結(jié)構(gòu)[3]1.3.2法拉第贗電容器法拉第贗電容器是基于一種化學(xué)的氧化還原可逆反應(yīng)，稱為法拉第反應(yīng)，從而能夠達到比雙電層電容器更高的比容量，其電極材料主要是金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔?。其原理是在電極材料表面和體相的二維或準二維空間中，電活性物質(zhì)沉積在低電位處，發(fā)生高可逆的化學(xué)吸附、脫附和氧化還原反應(yīng)。以此方式形成的電容來儲存能量。充電時，電極和電解質(zhì)表面會發(fā)生法拉第反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。當(dāng)其放電時，電極和電解質(zhì)發(fā)生與充電時候相反的逆向反應(yīng)，減小兩個電極之間的電位差使其放電。因為其反應(yīng)發(fā)生的地方并不僅僅只是在兩個電極的表面上，還有在電極材料內(nèi)部中，所以法拉第贗電容器比雙電層電容器具有更高的電容量和能量密度。1.3.3混合型超級電容器混合型超級電容器的組成是由雙電層電容器中碳基電極作為負極，而正極是法拉第贗電容器的金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物電極所組成。正是因為其復(fù)合電極的特性，所以能夠具有更高的電容和更高的比能量密度。1.4超級電容器電極材料決定超級電容器性能的組要部分是電極材料和電解質(zhì)，而現(xiàn)研究重點著重于電極材料，所以高效的電極材料是主要研究對象。其中比較重視的是電極的比電容高、比表面積大和導(dǎo)電率高并且使用壽命長，同時生產(chǎn)成本低也要綠色環(huán)保。1.4.1碳基電極碳基材料之所以成為雙電層電容器的主要電極材料，主要是由于其比表面積大，孔隙大小可調(diào)節(jié)，導(dǎo)電率高，以及穩(wěn)定性好等優(yōu)異的性能。而碳材料主要包括活性炭、活性炭纖維、碳納米管等?；钚蕴渴怯迷陔p電層電容器比較常見的一種材料。主要是因為比表面積極大，孔隙結(jié)構(gòu)高度發(fā)達，生產(chǎn)成本低，制備技術(shù)簡易等優(yōu)點一直作為制造超級電容器電極材料的第一選擇。LotaG等人[7]在八百五十?dāng)z氏度的高溫條件下用氫氧化鉀溶液強化其比表面積，檢測表明電容器的比電容和能量密度都獲得了顯著的提高，在1mol/LH2SO4和6mol/L氫氧化鉀溶液的電解液中比電容達到190F/g，在1mol/L(C2H5)4NBF4電解液中比電容達到140F/g，并且充放電性能得到很好的提高。上面一提到的活性炭材料已經(jīng)是適合作為電極材料之一，而活性炭纖維是一種性能更加優(yōu)秀的的材料，尤其組成的活性炭纖維布是市面上常見的電極材料之一。BinXua等人[8]用二氧化碳氣體碳化聚丙烯腈，在六百攝氏度的高溫條件下獲得了較大的比表面積，使活性炭纖維表面呈現(xiàn)出合適孔徑大小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在6mol/L氫氧化鉀溶液中比表面積達到207F/g，當(dāng)電流密度達到一萬毫安每克時，比電容能夠達到128F/g。碳納米管是由是具有圓柱形納米結(jié)構(gòu)的碳分子，它們具有中空結(jié)構(gòu)，管壁由一個原子厚的石墨片形成。Niu等人[9]的研究中，他們以碳納米管為電極材料，在硫酸水溶液中獲得了較好的質(zhì)量比電容。E.Frackowiak[10]以碳納米管作為原材料制得的電容比容量達134F/g，而且在一定的頻率下，其比容量下降也不大，這說明碳納米管作為電極材料能夠更優(yōu)于用活性碳作為電極材料。雖然碳納米管具有諸多優(yōu)點，但就目前的技術(shù)發(fā)展來看，純碳納米管用作電極材料時容量不是很高，特別是在非水電解液下將會更低。同時由于價格相對于其他材料更高，制備的技術(shù)還不夠完善等，這些缺點都限制著它在實際生活中的應(yīng)用，這些都是目前亟需解決的問題。1.4.2過渡金屬氮化物電極近年來，過渡金屬氮化物是超級電容器電極材料研究的熱門之一。主要是因為具有特殊的物理和化學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。過渡金屬氮化物其中包括TiN，VN，Mn3N2，F(xiàn)e2N，CoN和Ni3N以及一些其他金屬氮化物，如Mo，W和Nb的氮化物是一種潛在的電化學(xué)儲能材料。由于氮原子的插入使其電子密度增加。使得過渡金屬氮化物的物理和化學(xué)特性能夠與金屬類似。與碳電極材料比較，它們具有更大的容量和振實密度，從而具有更大的能量密度。其次，相比于過渡金屬氧化物電極材料，過渡金屬氮化物具有更加優(yōu)異的倍率性能。Boudart等人[11]使用MoO3與NH3升溫反應(yīng)方法合成出γ－Mo2N催化劑，比表面積達到220m2·g-1。Choi等[12]以VCl4為初始原料，通過兩次NH3煅燒制備了VN納米晶。VN納米晶不僅增加了氧化表面的易感性，同時其高比表面積還提供了更多的氧化還原位點。在電解液為1mol·L-1氫氧化鈉的環(huán)境下，以三電極體系測試可得，在掃速為2mV·s-1時，其比電容高達1340F·g-1;掃速增加到100mV·s-1時，比電容是544F·g-1;而當(dāng)掃速提高到2V·s-1時，比電容仍保持在190F·g-1。1.4.3金屬氧化物電極金屬氧化物主要有CO3O4、NiO、MnO2、RuO2、V2O5等，主要是通過電極活性物質(zhì)在電極表面及近表面發(fā)生快速氧化還原反應(yīng)來儲存能量。其工作原理與化學(xué)電源相同，但充放電行為與常規(guī)電容器類似，故稱法拉第贗電容。法拉第贗電容具有相對較高的容量，是雙電層電容的幾十倍甚至是百倍。加快電極活性物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)速率和增大電極活性物質(zhì)的利用率，是提高金屬氧化物超級電容器比電容的有效途徑。RuO2具有穩(wěn)定性高，法拉第反應(yīng)活性高，理論比容量高等優(yōu)點，是最早用于電化學(xué)電容器電極材料的金屬氧化物，但是地球儲量少和價格高昂等因素限制了它的發(fā)展。Yan[13]等人通過一步微波法合成了RuO2/MWCNTs納米復(fù)合物，透射電鏡圖片表明較高的比容量，顯示優(yōu)異的電容性能。錳氧化物以不同形式存在，如MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MnO，由于具有多價氧化態(tài)，地球儲量豐富，MnO2是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ碾姌O材料。Pang[14]等人通過凝膠－溶膠法合成的MnO2薄膜，比容量可達700F·g-1。Deng[15]等人成功合成了Mn/MnO2結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)比表面積大，導(dǎo)電性好，500mVs-1時的比容量高達996F·g-1。其它金屬氧化物如CuO、V2O5、Fe2O3、TiO2等因為容量較低，研宄的相對較少。1.4.4導(dǎo)電聚合物電極1977年隨著日本白川英樹教授、美國馬克迪爾米德教授及艾倫·黑格教授對導(dǎo)電聚乙炔的發(fā)現(xiàn)，其電導(dǎo)率可以增加若干數(shù)量級，“聚合物即絕緣體”這一傳統(tǒng)概念被徹底推翻。導(dǎo)電聚合物是具有共軛結(jié)構(gòu)的有機聚合物，在聚合物鏈中電子可以沿著共軛體系傳導(dǎo)。相比于金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物具有可逆的法拉第氧化還原反應(yīng)、較高的電導(dǎo)率和成本低的優(yōu)點，因而被廣泛的應(yīng)用于贗電容超級電容器中。此外，導(dǎo)電聚合物的結(jié)構(gòu)和形貌在電化學(xué)性能中扮演著重要的角色，大家所熟悉的形貌有無規(guī)顆粒、納米片、納米棒、納米管以及多級納米結(jié)構(gòu)。具有納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物通常具有較高的比表面積和較多的孔結(jié)構(gòu)，因而具有良好的電化學(xué)性能。但是，導(dǎo)電聚合物在充/放電的過程中，聚合物骨架會發(fā)生膨脹和收縮，使得其循環(huán)穩(wěn)定性相對較差，進而限制了導(dǎo)電聚合物在贗電容超級電容器中的實際應(yīng)用。1.5影響電極材料比電容的因素1.5.1比表面積電極材料的比表面積對比電容值的影響非常大。對于雙電層電容器而言，電極材料的比表面積越大，在電極與電解質(zhì)界面積累電荷的能力越強，其比電容值必然越大；對于法拉第準電容器來說，電極材料的比表面積越大，其越容易與電解質(zhì)離子接觸發(fā)生法拉第氧化還原反應(yīng)，比電容值也越大。但是電極材料的比電容值與其比表面積并不是線性增加的關(guān)系，因為不是所有的表面積都能夠用于與電解質(zhì)接觸儲存能量。1.5.2多孔結(jié)構(gòu)制備具有多孔性的電極材料，是增大其比表面積的途徑之一。一般而言，電極材料具有多孔性，可以促進電解質(zhì)離子進入電極材料內(nèi)部，增加電極材料與電解質(zhì)的接觸面積，從而提高其比電容值。迄今為止，使電極材料產(chǎn)生孔的方法主要有熱處理、堿處理、蒸汽或二氧化碳活化以及氨氣等離子體表面處理等。然而單純依靠提高多孔材料的比表面積并不能真正地提高其比電容值，因為孔隙結(jié)構(gòu)對電極材料比電容的影響不容忽視。首先，Avraham[16]等通過研究不同孔徑的活性炭在不同水系電解質(zhì)中的循環(huán)伏安測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)活性炭的孔徑與電解質(zhì)離子大小相適應(yīng)時，才可以表現(xiàn)出最大的比電容值。除了這種尺寸選擇效應(yīng)外，Gogotsi[17]發(fā)現(xiàn)了離子去溶劑化效應(yīng)：微孔或者超微孔的比例越大，電極材料的比電容也越大。然而雖然離子去溶劑化效應(yīng)已經(jīng)被證實，但是微孔孔容過高則會增大離子從電極表面向內(nèi)部轉(zhuǎn)移的阻力，從而降低大電流密度充放電時的比電容值。近幾年隨著不斷的探索發(fā)現(xiàn)：微孔和介孔可以提高電極材料的比表面積，從而使其表現(xiàn)出高的比電容和能量密度；而且相互連接的大孔和介孔還可以促進離子轉(zhuǎn)移至電極材料內(nèi)部與其接觸，進而使電極材料具有高的功率密度。因此，孔結(jié)構(gòu)對于電極材料比電容的影響非常復(fù)雜。1.5.3導(dǎo)電性一般來說電極材料的導(dǎo)電性越好，離子和電子傳輸速率越快，充放電速率大，穩(wěn)定性越好。1.6氮化物電極的制備方法1.6.1氮化物電極的制備方法簡介關(guān)于過渡金屬氮化物的制備方法一般可以歸為以下幾類：（1）高溫氮化法：把處理過的金屬片在高溫環(huán)境下與氨氣反應(yīng),在金屬片表面生成一層很薄的氮化物薄膜。（2）氧化物還原法：在氮氣氣氛下轉(zhuǎn)化相應(yīng)氮化物的氧化物。（3）相應(yīng)金屬氯化物進行氨解和氮化合成。（4）化學(xué)氣相沉積。含有構(gòu)成薄膜元素的氣體供給基片,利用加熱、等離子體、紫外光乃至激光等能源,借助空間化學(xué)反應(yīng)沉積薄膜。（5）等離子體化學(xué)氣相沉積法。常用的等離子體化學(xué)氣相沉積法通過激發(fā)稀薄氣體進行輝光放電得到等離子體，利用等離子體的活性促進反應(yīng)，可在較低溫度下制備薄膜,避免了高溫導(dǎo)致基板變形和組織變化的缺點。（6）物理氣相沉積技術(shù)。將靶材接在電源陽極，與靶材相對應(yīng)的玻璃襯底接在電源陰極，接通電源，真空室中的缸氣發(fā)生電離，電離后產(chǎn)生的電子在電場作用下加速飛向襯底（陽極），氬離子加速飛向靶材(陰極)，轟擊靶材表面，使靶中的原子、分子濺出，最終沉積在襯底上凝結(jié)成膜。上述方法中的一些技術(shù)被認為可能會對環(huán)境造成一定的污染，使用的有毒氮源，高溫，并且純度存在問題，會降低器件的循環(huán)穩(wěn)定性。本文中樣品的制備采用了綠色環(huán)保的PVD技術(shù)。1.6.2物理氣相沉積技術(shù)磁控濺射是陰極濺射的基礎(chǔ)上加以改進而發(fā)展的一種新型濺射鍍膜法。由于可以在低襯底溫度、低損傷條件得到高質(zhì)量薄膜，還可在低工作氣壓下得到較高的沉積速率，又稱為低溫高速濺射。1.6.3薄膜的形成與生長概述薄膜通常會經(jīng)過兩個階段，新相的形核以及薄膜生長，這兩個階段是影響著薄膜的結(jié)構(gòu)以及性能的重要階段。如圖3[18]表示薄膜沉積過程中原子的運動狀態(tài)和薄膜的生長過程。分子或原子撞擊到基體表面，部分被直接反射回真空空間，亦或者是另一部分被基體表面吸附。被吸附的離子在基體表面上進行遷移或擴散，并且移動到基體表面合適的格點并進入晶格。凝結(jié)過程伴隨著新相的形核，首先長成小區(qū)域薄膜，小區(qū)域薄膜長大后合并與生長，最后形成連續(xù)的薄膜。圖3薄膜的形成過程[18]1.6.4PVD在氮化物薄膜電極中的應(yīng)用PVD涂層通常用于制備結(jié)構(gòu)較為致密的薄膜，以改善基體的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，如硬度，韌性，耐磨性，耐蝕性和抗氧化性等等。而且通過PVD制作的膜層厚度可控，重復(fù)性好，臺階覆蓋好，同時可制備大面積均勻薄膜。PVD在氮化物薄膜電極能夠表現(xiàn)出不錯的電容性能，而電容性能由薄膜的孔隙率和比表面積，因此如何提高PVD制備的氮化物薄膜的孔隙率和比表面積是本文的主要研究方向。1.7主要研究內(nèi)容本文在對超級電容器已有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備條件，以及氮化物薄膜的特點，采用物理氣相沉積技術(shù)制備了氮化鉬薄膜作為超級電容器的電極材料，開展了調(diào)節(jié)孔隙率和比表面積薄膜的制備、電化學(xué)性能的研究，獲得了一些制備高性能薄膜電極的簡單、易行、有效的方法。并且本項目所提出的研究內(nèi)容和方案是在進行了充分文獻調(diào)研，并結(jié)合課題組近年來在金屬氮化物合成和電化學(xué)應(yīng)用方面的研究經(jīng)驗所提出，有望在金屬氮化物結(jié)構(gòu)調(diào)控、能量儲存等重點關(guān)注的問題上取得突破，進一步研究開發(fā)高性能的超級電容器電極材料。主要研究內(nèi)容有：對高孔隙MoN沉積的研究，選取導(dǎo)電性良好的MoN薄膜為研究對象，用直流磁控濺射技術(shù)制備結(jié)合良好且具有有序納米微孔結(jié)構(gòu)的MoN薄膜電極材料。討論了制備工藝，如Ar/N2對MoN電容性能的影響，并用SEM、XRD和EDS對材料的組成及表面形貌進行了表征，采用循環(huán)伏安法測試手段對材料的電化學(xué)性能進行表征。2涂層的制備及分析技術(shù)2.1實驗主要設(shè)備和儀器多功能復(fù)合PVD鍍膜機，X-ray衍射儀，掃描電鏡，X射線能譜，X射線光譜學(xué)，原子力顯微鏡，電化學(xué)工作站。2.2鍍膜設(shè)備多功能復(fù)合PVD鍍膜機。由磁控濺射，電弧離子鍍，離子源等部分組成。2.3涂層的制備2.3.1基體材料為了使涂層分析測試方便，本論文使用的基體材料為單晶硅片(10×10×0.5mm3)。單晶硅片主要用來測試涂層的相結(jié)構(gòu)，形貌以及電化學(xué)性能。2.3.2鍍膜工藝簡介下面對上述PVD涂層使用和實驗過程做簡要介紹。PVD鍍膜過程主要有以下六個工藝步驟，如下：1) 進爐前清洗：分別使用無水乙醇、丙酮溶液超聲清洗基體，各30min，去除樣品表面的水分和油污，用氮氣吹干，裝爐；2) 進爐抽真空：使用機械泵抽真空至1.0Pa，隨后打開分子泵，繼續(xù)抽真空至低于5.0mPa，同時腔體加熱并保持在300°C；3) 洗靶及離子清洗：當(dāng)真空度低于5.0mPa，通入Ar采用離子源，離子清洗靶材30min。隨后，Ar等離子體在-800V電壓下轟擊基體20min，清潔并活化基體表面，提高涂層與基體間的結(jié)合強度；4) 鍍膜：按照設(shè)置好的程序和沉積參數(shù)制備涂層；5) 冷卻出爐：沉積完成后在真空狀態(tài)下冷卻，至合適溫度以下出爐；6) 后處理：根據(jù)需要進行后處理。2.3.2MoN薄膜的制備通過直流磁控技術(shù)技術(shù)，將Mo靶材(純度：99.95％)在氮氣氣氛中濺射，生成MoN沉積在基體上，制備出一批氮含量在0.4~0.61(at.%)的MoN膜。在沉積時，保持腔壓0.7Pa，腔內(nèi)溫度300℃。通過控制N2與Ar的比例，制備不同氮含量的MoN膜（N1，N2，N3，N4，N5，N6，N7）。表2-1MoN薄膜的沉積參數(shù)及膜厚和成分N1N2N3N4N5N6N7Ar/N2sccm2:11:11:21:31:41:51:8時間/h1111111膜厚/μm0.540.870.991.234.52.44.4N:Mo/at.%55:4554:4640:6049:5159:4163:3761:392.4物理表征方法2.4.1物相結(jié)構(gòu)表征本實驗采用Bragg-Brentano構(gòu)型的X射線衍射儀(XRD)確定沉積態(tài)，處理后以及電化學(xué)實驗之后的樣品的物相結(jié)構(gòu)，晶體取向以及晶粒尺寸。本實驗的XRD圖譜是采用CuKα射線作為發(fā)射源，在40kV和40mA下以連續(xù)掃描模式獲得，掃描步驟為0.02°，范圍為10-90°。得到圖譜之后，使用MDIJade軟件中的pdf卡片，進行對應(yīng)物相結(jié)構(gòu)的匹配。2.4.2顯微結(jié)構(gòu)表征本實驗采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的表面形貌和斷面結(jié)構(gòu)，并測量沉積膜的厚度。由電子束激發(fā)的樣品的二次電子或者背散射電子，然后通過特殊檢測器收集信號，創(chuàng)建了顯示表面的形貌或者襯度的圖像。本實驗的SEM放大倍數(shù)5~10萬，電子束10nA，加速電壓30kV，圖像分辨率1.0nm。此外，結(jié)合SEM附帶的能譜儀雙探測器系統(tǒng)(EDS)，分析樣品的元素組成和分布。2.3電化學(xué)表征方法本文的電化學(xué)表征都是由電化學(xué)工作站完成。電化學(xué)工作站用于檢測電化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的主要成分以及溶液中有效物質(zhì)的含量隨工作電極變化氧化/還原時的變化。主要研究電解過程機理，電極表面特性，鑒定參與反應(yīng)的中間體、瞬時狀態(tài)和產(chǎn)物性質(zhì)，電子轉(zhuǎn)移數(shù)以及電極反應(yīng)速率等方面。3MoN薄膜電極的制備及性能的研究3.1引言超級電容器作為近幾年發(fā)展起來的一種新型儲能器件，具有很多卓越的特性。所以如何提高超級電容器電極性能成為了關(guān)注的焦點。過渡金屬氮化物具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性，所以能夠被用作是一種十分合適的電極材料。其中，金屬鉬作為一種高熔點稀有金屬，具有良好的物理特性等，在各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。而且隨著現(xiàn)代精密切削加工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)刀具已經(jīng)無法達到所需要的水平，所以刀具的綜合性能的需求越來越高。在傳統(tǒng)的刀具上沉積更具有高硬度的涂層，能夠更好地提升刀具的綜合性能，滿足加工的要求。其中MoN薄膜電極顯示了良好的電極行為，在本研究中，為了進一步提高MoN超級電容器的比表面積，通過磁控濺射的方法，研究了具有可控形貌和成分的MoN納米結(jié)構(gòu)的比電容性質(zhì)。通過對包括氮濃度和傾角設(shè)計以及膜厚在內(nèi)的制備條件的系統(tǒng)研究，進一步提高MoN薄膜的電容性能。3.2結(jié)果與討論3.2.1不同Ar/N2的MoN薄膜的物理表征圖3-1顯示了在不同Ar/N2下制備的MoN膜的SEM圖像。由圖可見，N1，N2，N3，N4，N5，N6和N7涂層均的表面展示出了的顆粒形狀，大小不一。截面圖可以看出這些涂層都是柱狀晶結(jié)構(gòu)。圖3-1N1，N2，N3，N4，N5，N6和N7涂層的表面和截面圖3.2.2不同Ar/N2的MoN薄膜的電化學(xué)表征3.3結(jié)論結(jié)論和展望參考文獻[1]黃曉斌,張熊,韋統(tǒng)振,齊智平,馬衍偉.超級電容器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電工電能新技術(shù),2017,36(11):63-70.[2]陳英放.超級電容器的原理及應(yīng)用[3]梁逵,吳孟強,周旺,陳艾.電池型電容器─超大容量離子電容器[J].電子元件與材料,2001(04):24-26+48-49.[4]劉曉臣.超級電容器工作原理及應(yīng)用[5]王釗.超級電容器的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[6]李海生.超級電容器的分類與優(yōu)缺點分析[J].通信電源技術(shù),201128(6)[7]LotaG,CentenoTA,FrackowiakE,eta1.Improvementofthestructuralandchemicalpropertiesofacommercialactivatedcarbonforitsapplicationinelectrochemicalcapacitors[J].ElectrochimActa,2008,53:2210-2216.[8]BinXua,FengWu,ShiChen,eta1.Activatedcarbonfiberclothsaselectrodesforhighperformanceelectricdoublelayercapacitors[J].ElectrochimicaActa,2007,52:4595-4598.[9]NiuC，SichielEK，HochR，eta1．Highpowerelectrochemicalcapacitorsbasedoncarbonnanotubeelectrodes．Appl．Phys．Lett．，1997，70(11)：1480．1484．

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