上海交通大学轻合金ACS AMI：基于成分波动的不同结晶面积的Mg-Gd调制薄膜结构及其氢化性能的研究

youyoucao 3年前 (2021-07-31) 1458浏览

研究背景

凭借可再生、高效洁净等优点，氢气在航天、军事、汽车、医疗和工业领域具有广阔的应用前景，全球许多国家都在制定国家氢战略。镁基材料在加速氢能应用的进程上具有重要的价值,但是其推广受限于镁合金较高的热力学和较低的动力学的特性。通过纳米化和非晶化镁基材料来改善其氢化性能是目前研究的热点。但目前对于纳米晶和非晶化改善薄膜氢化性能的能力，孰优孰劣尚未有准确的定论。退火能改变薄膜的结晶情况，但传统的退火方式具有容易造成元素扩散和元素偏聚等弊端，因而如何有效地调控薄膜内部结晶情况一直是薄膜领域的科学研究问题。

成果简介

上海交通大学轻合金液态精密成型研究中心的彭立明教授和陈娟副教授（通讯作者）团队以Mg-Gd薄膜为研究对象，通过改变基底在样品台的摆放位置，使得溅射过程中溅射到基底上的原子速率变化，从而调控了薄膜内部的成分波动，在Mg-Gd薄膜整体成分不变的情况下，制备了一系列具有不同结晶情况的Mg-Gd调制结构薄膜，并研究了薄膜的组织结构和氢化性能。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”为题于2020年6月8号在ACS Applied Materials & Interfaces上在线发表。

图文导读

图1磁控共溅射沉积Mg-Gd调制薄膜示意图

（a）磁控溅射设备的示意图；（b）溅射时基底的位置和对应薄膜横截面的结构示意图。

为了得到内部结构差异较为明显的薄膜，研究在较低转速5 RPM下，选定样品台中心、边缘及这两个位置的中心处三个位置制备了三个样品，分别记为SampleCen、SampleHal和SampleEdg。

图2 SampleEdg微观结构的研究结果

（a）Mg和Gd线扫描结果；（b）Mg-Gd层HRTEM图像；（c）b中选定区域的FFT图像；（d）CS-corrected HRTEM图像；（e）d中选定区域的FFT图像；（f）CS-corrected HAADF STEM图像；（g）f中选定区域的放大；（h）g中选定区域的FFT图像。

图3 SampleCen微观结构的研究结果

（a）Mg和Gd线扫描结果；（b）Mg-Gd层的HRTEM图像；（c）b中正方形区域的FFT和（d）反FFT结果；（e）CS-corrected HRTEM图像，圈出的面积为纳米区域；（f）CS-corrected HAADF-STEM图像。

图4 FC / Pd / Mg-Gd薄膜的典型光学性能测量结果

（a）Mg-Gd调制薄膜的反射和（b）透射性能；（c）FC / Pd / Mg-Gd薄膜在980 nm波长下的氢化（Ar中0.4% H2，200 ml / min）和（d）脱氢（（空气，300 ml / min））性能；（e）在不同氢化状态下，FC / Pd / Mg-Gd薄膜光学形态的变化，包括金属状态（I），过渡状态（II）和透明（III）状态。该装置放置于 “上海交通大学”徽标前。

镁及镁合金薄膜在吸脱氢过程中，薄膜在金属初始反射态与半导体氢化透明态之间可逆转变。凭借氢化时氢致变色的特性，镁及镁合金薄膜在调光玻璃、氢气传感器等等领域具有广阔的应用前景。

小结

上述研究表明当基底在样品台中心和边缘之间移动，通过改变样品初始位置来改变膜内成分波动，此种共溅射法合成了具有不同结晶度的Mg0.7Gd0.3合金层。样品台边缘处沉积的Mg0.7Gd0.3层具有明显的调制层结构，薄膜内部成分波动和纳米结晶区域较大，薄膜内贫Gd层中主要为fcc结构的Mg3Gd纳米相，而富Gd层中主要为fcc结构的Mg2Gd纳米晶。样品台中心位置沉积的Mg0.7Gd0.3薄膜含有较低的结晶度，薄膜内部成分波动较小，元素分布相对均匀，内部非晶区域较大。氢化性能的研究结果表明Mg-Gd层的结晶度对FC / Pd / Mg0.7Gd0.3调制薄膜氢化光学性能起着至关重要的作用。Mg-Gd层在样品台中心沉积、具有较大非晶区的FC / Pd / Mg0.7Gd0.3调制薄膜在30 s内实现了快速吸氢，在180 s内能够完全脱氢。溅射Mg-Gd层时，随着基底接近边样品台边缘，FC / Pd / Mg0.7Gd0.3膜内部结晶度增加，薄膜反射率光学变化区间由于层间相互作用提高了10%，达到75%，而此时透射率降低了4%，完全氢化所需的时间延长了近5倍。因此，相对于纳米晶膜，非晶膜可以显着改善薄膜的吸脱氢动力学。本实验避免了退火调控薄膜结晶度时存在的弊端，对后续调控薄膜结晶度最终改善材料的氢化性能具有借鉴意义。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c04694

本文由作者团队Nancy撰稿。

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