微纳结构镍薄膜制备及其在染料敏化太阳能电池中应用研究
目录
1 引言 1
1.1 镍薄膜简介 1
1.2 微纳结构镍薄膜制备方法 2
1.3 镍薄膜应用 3
1.4 本文研究意义以及主要研究的内容 3
2 实验 4
2.1 实验仪器和实验原料 4
2.2 实验过程 5
3 DSSC组装与测试 9
3.1 实验部分 9
3.2 实验结果与讨论 11
总结 16
致谢 17
参考文献 18
1 引言
在科学技术快速发展的今天，能源、材料、信息等技术现已成为新型科学的基础。并且，薄膜因其特殊的形态，在新科学技术中广泛应用[1]。正是因为薄膜材料具有这种特殊的形态，使其具有特殊的功能及用途，因此人们广泛运用及进一步研究其特殊的功能特性。同时，在材料领域中发展的活跃的一些领域，都与薄膜科学与技术有着紧密相连的关系，比如说新材料的合成以及制备，材料表面及界面的研究，以及材料各向异性研究等。
从石器时代到现如今的科学技术时代，金属材料的应用已经有了很遥远的历史，在人类的生产和生活中大量的金属材料得到了广泛的运用，其作用日益重要。由于金属材料电阻率较低，在作为电流传输的材料得到广泛的运用。但是在现代电子技术与信息科学中，人们对金属材料提出了更高的要求用来制作大规模及超大规模的集成电路，而薄膜作为特殊的金属材料，可以满足人们对金属材料的要求。但是薄膜材料的制备对其性能有着至关重要的影响，因此，薄膜材料的制备非常重要[2]。
1.1 镍薄膜简介
镍是元素周期表第八族金属元素，系Fe、Co、Ni铁三素组成员， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
略带黄色的银白色展性金属，是一种具有磁性的过渡金属。在空气中发乌，质硬，抗腐蚀能力强，耐热性、可塑性与韧性好，在温度低于340℃时有磁性。镍的特点在于化学活性大，在空气、水、碱及各种酸中稳定性好，主要是会形成抗腐蚀的表面氧化膜产生钝化。镍只有在粉未状态下会燃烧，形成NiO 和Ni2O3两种氧化物和相应的Ni(OH)2和Ni(OH)3两种氢氧化物。镍还会形成大量配价化合物和络合物，例如，脱甲基乙二酰镍Ni(HC4H6N2O2)2，在酸性介质中表现为鲜色，广泛应用于镍检测领域的定性分析[3]。
另外，镍薄膜还具有许多优异的性能。比如说镍薄膜在空气中的稳定性很高，由于金属镍具有很强的钝化能力，在空气中时，表面可以迅速形成一层很薄的膜，这一层膜，能够抵抗大气中某些碱以及某些酸的腐蚀[4]。并且，镍薄膜结晶极其细小，并且具有很好的抛光性能。这些抛光过的镍薄膜外表面有着镜面般的光泽，同时在大气中可长期保持其光泽。所以，镍薄膜常用于装饰，并且镍薄膜的硬度比较高，可以提高制品表面的耐磨性，在印刷工业中常用镍薄膜[5]来提高铅表面的硬度。由于金属镍具有较高的化学稳定性，有些化工设备也常用较厚镍薄膜，以防止被介质腐蚀。
1. 2 微纳结构镍薄膜制备方法
一般情况下，制备微纳结构镍薄膜的方法主要分为两大类，即物理方法和化学方法。其中物理方法主要有真空镀膜法、磁控溅射法，低能团簇束沉积法、分子自组装技术法、模板合成法等；化学方法主要有化学气相淀积、原子层沉积法、溶胶-凝胶法、电沉积法等。
(1) 磁控溅射镀膜法
利用高速电子与气体分子发生碰撞从而电离产生等离子，这些等离子被电场加速得到很大的动能，高速运动的等离子轰击阴极的靶体，将动能转化为靶体的能量，使得靶体中的原子或者分子射出，沉积到衬底的表面，从而形成薄膜[6]。 发展起来的规模性磁控溅射镀膜，沉积速率较高，工艺重复性好，便于自动化，已适当于进行大型建筑装饰镀膜，及工业材料的功能性镀膜，及TGN-JR型用多弧或磁控溅射在卷材的泡沫塑料及纤维织物表面镀镍Ni及银Ag。
(2) 溶胶－凝胶法
溶胶－凝胶法的前驱体是用一些含有高化学活性组分的化合物构成的，在液相中，将这些原料均匀的混合，进行水解、缩合反应，此时会在溶液中形成较为稳定的透明溶胶体系，而这些溶胶会经陈化 胶粒然后缓慢聚合，此时形成三维空间 的网络结构凝胶。这时凝胶网络间会充满失去流动性的溶剂，会形成凝胶。而凝胶经过干燥、烧结 固化然后制备出分子或者纳米亚结构的材料[7]??。
(3) 电化学沉积法
电化学沉积一般首先反应粒子迁移到电极表面附近液层，为液相传递。然后，反应粒子进行电化学反应在电极表面附近的液层中。 此时在电极溶液界面上反应粒子会得到电子，生成还原反应产物，这个步骤也被称为电化学反应步骤。
电化学沉积的优点很多，其成本低仅需要非常简单且廉价的设备；制备设备简单、操作简单、成本低廉、环境友好，适合大规模工业生产；高沉积速率适于大面积、连续化、多组元和低温沉积适合在各种形状复杂的表面；多孔表面制备均匀的薄膜无有毒的气体；材料利用率高；废物产生少溶液可循环和回收镀层的厚度、化学组成、结构及孔隙率能够精确控制等。由于电化学沉积这些优异的特性，使得其应用受到人们的广泛关注。
1.3 镍薄膜应用
镍具有很好的可塑性、耐腐蚀性和磁性等性能，因此主要用于钢铁、镍基合金、电镀及电池等领域。
镍薄膜在空气中的稳定性很高，同时金属镍具有很强的钝化能力，可以抵抗大气、一些碱和某的腐蚀。而含有镍薄膜的物品，它的防腐蚀性能比锌层高20％～25％左右。镀镍薄膜的物品美观、干净、又不易锈蚀。镀有镍薄膜的物品硬度比较高，可以提高制品表面的耐磨性，广泛应用于光学仪器镀覆，防护装饰性镀层，铸造结晶器电子元件等。
镍是典型的铁磁性材料，被激发后瞬态反射率会迅速到达极值，而且到达极值后很难恢复。这是因为镍的复杂能带结构引起的，而镍的复杂的晶格结构会使这些能量容易集中在薄膜的表层，且电子温度会保持在一个固定的较高的值而不会轻易改变。因此，对超快动力学进行研究存在着重要的借鉴意义[9]。
1 引言 1
1.1 镍薄膜简介 1
1.2 微纳结构镍薄膜制备方法 2
1.3 镍薄膜应用 3
1.4 本文研究意义以及主要研究的内容 3
2 实验 4
2.1 实验仪器和实验原料 4
2.2 实验过程 5
3 DSSC组装与测试 9
3.1 实验部分 9
3.2 实验结果与讨论 11
总结 16
致谢 17
参考文献 18
1 引言
在科学技术快速发展的今天，能源、材料、信息等技术现已成为新型科学的基础。并且，薄膜因其特殊的形态，在新科学技术中广泛应用[1]。正是因为薄膜材料具有这种特殊的形态，使其具有特殊的功能及用途，因此人们广泛运用及进一步研究其特殊的功能特性。同时，在材料领域中发展的活跃的一些领域，都与薄膜科学与技术有着紧密相连的关系，比如说新材料的合成以及制备，材料表面及界面的研究，以及材料各向异性研究等。
从石器时代到现如今的科学技术时代，金属材料的应用已经有了很遥远的历史，在人类的生产和生活中大量的金属材料得到了广泛的运用，其作用日益重要。由于金属材料电阻率较低，在作为电流传输的材料得到广泛的运用。但是在现代电子技术与信息科学中，人们对金属材料提出了更高的要求用来制作大规模及超大规模的集成电路，而薄膜作为特殊的金属材料，可以满足人们对金属材料的要求。但是薄膜材料的制备对其性能有着至关重要的影响，因此，薄膜材料的制备非常重要[2]。
1.1 镍薄膜简介
镍是元素周期表第八族金属元素，系Fe、Co、Ni铁三素组成员， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
略带黄色的银白色展性金属，是一种具有磁性的过渡金属。在空气中发乌，质硬，抗腐蚀能力强，耐热性、可塑性与韧性好，在温度低于340℃时有磁性。镍的特点在于化学活性大，在空气、水、碱及各种酸中稳定性好，主要是会形成抗腐蚀的表面氧化膜产生钝化。镍只有在粉未状态下会燃烧，形成NiO 和Ni2O3两种氧化物和相应的Ni(OH)2和Ni(OH)3两种氢氧化物。镍还会形成大量配价化合物和络合物，例如，脱甲基乙二酰镍Ni(HC4H6N2O2)2，在酸性介质中表现为鲜色，广泛应用于镍检测领域的定性分析[3]。
另外，镍薄膜还具有许多优异的性能。比如说镍薄膜在空气中的稳定性很高，由于金属镍具有很强的钝化能力，在空气中时，表面可以迅速形成一层很薄的膜，这一层膜，能够抵抗大气中某些碱以及某些酸的腐蚀[4]。并且，镍薄膜结晶极其细小，并且具有很好的抛光性能。这些抛光过的镍薄膜外表面有着镜面般的光泽，同时在大气中可长期保持其光泽。所以，镍薄膜常用于装饰，并且镍薄膜的硬度比较高，可以提高制品表面的耐磨性，在印刷工业中常用镍薄膜[5]来提高铅表面的硬度。由于金属镍具有较高的化学稳定性，有些化工设备也常用较厚镍薄膜，以防止被介质腐蚀。
1. 2 微纳结构镍薄膜制备方法
一般情况下，制备微纳结构镍薄膜的方法主要分为两大类，即物理方法和化学方法。其中物理方法主要有真空镀膜法、磁控溅射法，低能团簇束沉积法、分子自组装技术法、模板合成法等；化学方法主要有化学气相淀积、原子层沉积法、溶胶-凝胶法、电沉积法等。
(1) 磁控溅射镀膜法
利用高速电子与气体分子发生碰撞从而电离产生等离子，这些等离子被电场加速得到很大的动能，高速运动的等离子轰击阴极的靶体，将动能转化为靶体的能量，使得靶体中的原子或者分子射出，沉积到衬底的表面，从而形成薄膜[6]。 发展起来的规模性磁控溅射镀膜，沉积速率较高，工艺重复性好，便于自动化，已适当于进行大型建筑装饰镀膜，及工业材料的功能性镀膜，及TGN-JR型用多弧或磁控溅射在卷材的泡沫塑料及纤维织物表面镀镍Ni及银Ag。
(2) 溶胶－凝胶法
溶胶－凝胶法的前驱体
(3) 电化学沉积法
电化学沉积一般首先反应粒子迁移到电极表面附近液层，为液相传递。然后，反应粒子进行电化学反应在电极表面附近的液层中。 此时在电极溶液界面上反应粒子会得到电子，生成还原反应产物，这个步骤也被称为电化学反应步骤。
电化学沉积的优点很多，其成本低仅需要非常简单且廉价的设备；制备设备简单、操作简单、成本低廉、环境友好，适合大规模工业生产；高沉积速率适于大面积、连续化、多组元和低温沉积适合在各种形状复杂的表面；多孔表面制备均匀的薄膜无有毒的气体；材料利用率高；废物产生少溶液可循环和回收镀层的厚度、化学组成、结构及孔隙率能够精确控制等。由于电化学沉积这些优异的特性，使得其应用受到人们的广泛关注。
1.3 镍薄膜应用
镍具有很好的可塑性、耐腐蚀性和磁性等性能，因此主要用于钢铁、镍基合金、电镀及电池
镍薄膜在空气中的稳定性很高，同时金属镍具有很强的钝化能力，可以抵抗大气、一些碱和某的腐蚀。而含有镍薄膜的物品，它的防腐蚀性能比锌层高20％～25％左右。镀镍薄膜的物品美观、干净、又不易锈蚀。镀有镍薄膜的物品硬度比较高，可以提高制品表面的耐磨性，广泛应用于光学仪器镀覆，防护装饰性镀层，铸造结晶器电子元件等。
镍是典型的铁磁性材料，被激发后瞬态反射率会迅速到达极值，而且到达极值后很难恢复。这是因为镍的复杂能带结构引起的，而镍的复杂的晶格结构会使这些能量容易集中在薄膜的表层，且电子温度会保持在一个固定的较高的值而不会轻易改变。因此，对超快动力学进行研究存在着重要的借鉴意义[9]。
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