原子層沉積法製備的釕和二氧化釕薄膜的相變和水吸附行為研究：退火溫度的影響

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退火處理可以有效地將原子層沉積法製備的釕金屬薄膜轉變為二氧化釕，且退火溫度越高，二氧化釕的結晶度越高，對水的吸附能力也越強。

Samenvatting

研究背景

釕金屬及其氧化物因其優異的催化活性、在析氧反應 (OER) 中的穩定性以及良好的導電性，在電子和電催化領域中不可或缺。原子層沉積 (ALD) 作為一種新興的薄膜製備技術，具有原子級厚度控制、均勻性和保形性、氧化態精確控制以及低加工溫度等優點，因此適用於沉積用於不同應用的高性能過渡金屬及其氧化物。

研究方法

本研究使用 ALD 在 300°C 下於二氧化鈦 (TiO2) (110) 基板上沉積釕金屬薄膜，並在空氣中以不同的升溫溫度 (400°C、500°C 和 600°C) 對沉積的釕薄膜進行退火處理，研究退火對其結構、形態和化學性質的影響。研究人員使用原子力顯微鏡 (AFM)、X 射線光電子能譜 (XPS)、X 射線繞射 (XRD) 和拉曼光譜對薄膜進行了系統表徵。

研究結果

• 退火導致釕金屬逐漸轉變為二氧化釕 (RuO2)。
• XPS 顯示隨著退火溫度的升高，釕從頂部表面逐漸轉變為 RuO2。
• XRD 證實了從沉積態釕金屬的六方密堆積結構到 600°C 下金紅石 RuO2 的相變。
• 環境壓力 XPS (APXPS) 評估了薄膜在不同水蒸氣壓力下的水吸附行為，結果表明退火條件會影響薄膜對水的親和力和水解離的趨勢。

研究結論

退火處理可以有效地將 ALD 沉積的釕金屬薄膜轉變為 RuO2，且退火溫度越高，RuO2 的結晶度越高，對水的吸附能力也越強。這些發現為電化學水分解應用中與表面化學相關的初始理解提供了依據。

Statistieken

沉積態釕薄膜的均方根 (RMS) 表面粗糙度約為 1 奈米。
400°C 退火後，RMS 表面粗糙度增加至 2.1 奈米。
500°C 退火後，RMS 表面粗糙度增加至 2.54 奈米。
600°C 退火後，RMS 表面粗糙度增加至 4.37 奈米。
沉積態釕薄膜的密度約為 12.36 克/立方厘米，與釕金屬的已知體積密度 (約 12.37 克/立方厘米) 相符。

Citaten

Belangrijkste Inzichten Gedestilleerd Uit

Phase transformation and water adsorption behavior of ALD deposited and annealed Ru and RuO2 films

by S. S. Nalawa... om arxiv.org 10-31-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.22666.pdf

Diepere vragen

除了退火溫度，還有哪些因素會影響 ALD 沉積的釕薄膜向 RuO2 的相變過程？

除了退火溫度外，還有許多因素會影響 ALD 沉積的釕薄膜向 RuO2 的相變過程，以下列舉幾項重要因素：

氧氣分壓： 氧氣分壓是影響釕氧化成 RuO2 的關鍵因素。較高的氧氣分壓會促進氧化反應，加速相變過程。反之，較低的氧氣分壓則可能導致氧化不完全，甚至形成其他氧化態的釕氧化物。
退火時間： 退火時間越長，釕原子與氧原子接觸的時間越長，越有利於 RuO2 的形成。然而，過長的退火時間可能會導致晶粒過度生長，反而降低催化活性。
升溫速率： 較快的升溫速率可以縮短製程時間，但可能導致薄膜內部應力增加，影響薄膜品質。較慢的升溫速率則可以獲得更均勻的 RuO2 薄膜。
ALD 製程參數： ALD 製程參數，如沉積溫度、前驅物種類、脈衝時間和載氣流量等，都會影響沉積薄膜的初始狀態，進而影響後續的退火相變過程。
基材影響： 不同基材的晶格結構、表面能和熱膨脹係數等特性，可能會影響釕薄膜的成核和生長，進而影響相變過程。

釕金屬薄膜在其他氣氛 (例如氮氣或氬氣) 中退火，是否會產生與空氣中退火不同的結果？

是的，釕金屬薄膜在氮氣或氬氣等惰性氣氛中退火，會產生與空氣中退火不同的結果。

空氣中退火： 空氣中含有氧氣，因此在空氣中退火會促進釕氧化成 RuO2。如文中所述，在 600°C 的空氣中退火可以使釕薄膜完全轉變為 RuO2。
惰性氣氛中退火： 氮氣和氬氣都是惰性氣體，不參與化學反應。因此，在惰性氣氛中退火可以避免釕的氧化，保持其金屬狀態。
其他影響： 值得注意的是，即使在惰性氣氛中退火，也可能發生薄膜的晶粒生長或其他結構變化，只是不會形成 RuO2。

如何利用本研究的結果來設計和優化用於電化學水分解應用的高效、穩定的 RuO2 電催化劑？

本研究的結果揭示了退火溫度和氣氛對 ALD 沉積釕薄膜相變過程的影響，這些信息對於設計和優化用於電化學水分解應用的高效、穩定的 RuO2 電催化劑至關重要。以下是一些可以參考的方向：

控制退火條件： 根據本研究結果，選擇適當的退火溫度和氣氛，可以精確控制 RuO2 的形成。例如，在 600°C 的空氣中退火可以獲得完全轉變為 RuO2 的薄膜。
調控薄膜形貌： 研究顯示退火溫度會影響薄膜的表面粗糙度和晶粒尺寸。可以通過調整退火溫度和時間來調控薄膜形貌，例如增加表面積以提高催化活性。
探索其他 ALD 製程參數： 本研究主要探討退火條件的影響，未來可以進一步研究其他 ALD 製程參數，如沉積溫度、前驅物種類和脈衝時間等，以優化 RuO2 薄膜的電催化性能。
基材選擇： 研究指出基材會影響薄膜的成核和生長，因此選擇合適的基材可以進一步提高 RuO2 電催化劑的性能。
進行電化學性能測試： 最後，需要對製備的 RuO2 電催化劑進行電化學性能測試，例如線性掃描伏安法、電化學阻抗譜和恆電流電解等，以評估其催化活性、穩定性和耐久性。
通過系統性地研究和優化上述因素，可以開發出高效、穩定的 RuO2 電催化劑，促進電化學水分解技術的發展。