电子束光刻制备纳米催化阵列及纳米红外光源的研究

论文摘要

直径50纳米,间距100纳米的系列铂颗粒催化阵列已经通过电子束光刻制备成功,催化剂颗粒制备在氧化铝表面。该催化剂用来催化甲醇空气混合气体的燃烧反应,通过与其他催化剂的比较以及理论分析,发现通过该方法制备的催化剂有更好的催化活性,可以提高能量利用效率和甲醇的转化率。催化剂颗粒尺寸、间距,催化反应过程中的基底温度、反应混合气体流量等因素都会对催化剂的催化性能具有一定的影响。本文分别用SEM和AFM对催化剂的形貌进行相应的表征,同时通过红外显微镜、气相色谱仪等对催化剂的催化性能进行了测量,气体混合装置和热台装置在本实验中也被使用。在得到催化性能后,对其中涉及到的反应机理、热力学过程进行了相应分析。在实验过程中,发现催化反应会使样品表面温度升高,增强红外辐射功率同时改变催化剂表面的红外辐射波长,故提出以该催化剂制备红外光源的构想。实验中通过红外CCD相机可以对样品产生的红外辐射进行记录和进一步处理,而催化剂周期性的结构可以作为光子晶体波导器件,通过FDTD模拟分析该结构对红外辐射的传导和汇聚效应,结果表明特定的结构可以将催化剂阵列自身发出的光进行汇聚发射,验证了自发光红外光源制备的可行性。本文试图说明颗粒催化剂相比于薄膜催化剂具有更好的催化性能,催化反应产生的红外辐射可以用来制作微纳尺度的红外光源,而通过电子束光刻制备的催化剂结构同时可以作为光子晶体波导,共同实现纳米尺度人造光源以及自发光光子红外光源的制备。

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摘要

ABSTRACT

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第一章绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景

1.3 甲醇催化燃烧研究进展

1.4 微纳加工手段制备催化剂进展

1.5 光子晶体与光子晶体激光器

1.5.1 光子晶体

1.5.2 光子晶体激光器

1.6 本文主要研究内容

第二章实验方法与表征手段

2.1 实验材料

2.2 样品制备

2.2.1 电子束光刻

2.2.2 磁控溅射

2.3 样品与性能表征

2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）

2.3.2 原子力显微镜（AFM）

2.3.3 催化剂表面温度表征（红外显微镜）

2.3.4 催化反应程度表征

2.3.5 红外辐射收集与处理

2.3.6 时域有限差分法（FDTD）

第三章铂颗粒催化剂制备与催化性能表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 基底处理

3.2.2 电子束光刻与显影

3.2.3 磁控溅射镀膜与剥离

3.3 结果与表征

3.3.1 催化剂表面形貌表征

3.3.2 颗粒催化剂与薄膜催化剂的比较

3.3.3 基底温度对催化性能的影响

3.3.4 催化剂颗粒直径对催化性能的影响

3.3.5 占空比对催化性能的影响

3.3.6 甲醇气体流量对催化性能的影响

3.3.7 催化反应甲醇转化效率

3.4 本章小结

第四章反应过程催化与传热机理分析

4.1 催化机理与催化性能影响因素

4.1.1 催化剂与活性位点

4.1.2 催化剂失效分析

4.2 反应过程传热分析

4.2.1 微纳尺度热传导简介

4.2.2 大的温度梯度的建立

4.3 本章小结

第五章红外辐射检测与分析

5.1 催化过程催化发光与辐射发光

5.1.1 催化发光分析

5.1.2 辐射发光分析

5.2 红外辐射光收集与分析

5.2.1 实验装置

5.2.2 红外辐射波长与基底温度

5.2.3 催化反应对红外辐射的影响

5.3 本章小结

第六章 FDTD与光子晶体

6.1 FDTD Solutions

6.1.1 FDTD Solutions简介

6.1.2 平行光的汇聚与放大

6.2 自发光光子晶体激光器

6.2.1 自发光光子晶体红外光源设想

6.2.2 自发光光子晶体红外光源的设计

6.3 本章小结

第七章总结与展望

7.1 工作总结

7.2 未来展望

参考文献

附录1

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴之茂

导师: 胡志宇

关键词: 纳米颗粒催化剂,电子束光刻,光子晶体,红外光源

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,化学,无线电电子学

单位: 上海交通大学

基金: 国家自然基金(批准号:5177060654),云南胡志宇专家工作站(批准号:[2014]5)

分类号: TN21;O643.36;O734

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.002459

总页数: 90

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