超薄液层电化学沉积中振荡行为的调控研究

作     者：薛振宏 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王牧

授予年度：2013年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：化学振荡 混沌响应 调控 

摘      要：在实验室特独创的超薄液层铜电化学沉积系统中,前期工作已经对恒流(恒压)下电沉积物的结构上和电信号中的周期性行为进行了深入研究,建立了浓度场模型来揭示系统自发化学振荡模式,利用SEM和TEM等手段对沉淀物形貌进行的细致的表征。本文在此基础上,于恒流生长时引入正弦微扰电流,通过外加扰动对系统的振荡进行调制,期望进一步对系统的动力学行为进行研究。我们主要从浓度场数值模拟分析,实时电压信号采集和最终沉淀物形貌观测这三个方面,对超薄液层中电化学沉积过程中的化学振荡现象进行研究。理论方面：在前期建立的浓度场模型中,引入正弦扰动电场,在Matlab下数值模拟原本自发振荡的系统对扰动的响应振荡行为。对铜离子浓度的时间序列进行FFT分析,作出系统在扰动频率改变过程中的频谱图和对应李雅普诺夫指数图。频谱图上交替地出现线性和非线性窗口,线性窗口区域对应的李雅普诺夫指数为O,非线性窗口区域对应的李雅普诺夫指数大于0,理论结果显示通过增加外加扰动频率的调制,系统的振荡会交替进入周期-混沌的状态。实验方面：为了验证理论计算的结果,我们在电化学沉积过程中叠加正弦电流作为扰动信号,实时地采集电压反馈信号和后期SEM下对产物形貌的观测结果,发现随着外加扰动频率的增加,在电压反馈信号和沉淀物形貌上也受到调制,会交替地出现混沌-周期的变化,与理论结果有很好的符合。在SEM下观察到了混沌的铜纳米结构。通过强光照射的定位实验,在电压信号波形图和沉淀物形貌上同时做下标记,藉此我们可以将采集到的电压信号与生长结束后SEM观测下的铜纳米结构进行准确的对照,确认了其中的电压脉冲峰与产物结构上空隙之间的对应关系,在一定程度上实现对沉积铜的周期微米／纳米线阵列的监控。