温度调控MOCVD沉积氮化钒薄膜的结构与光学特性及其在超级电容器和光催化中的应用研究

本研究针对碳/氧杂质影响氮化钒(VN)薄膜性能的关键问题，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在450-500°C温度梯度下制备VN薄膜。研究发现温度升高使晶粒尺寸从56 nm增至62 nm，带隙从3.25 eV降至2.8 eV，SEM显示高温下表面形貌更规整。该研究为优化VN薄膜在超级电容器和光催化器件中的性能提供了重要参数依据。

　　

在能源材料领域，过渡金属氮化物因其独特的电子结构和物理化学性质备受关注。其中立方晶系的氮化钒(VN)凭借高达1.18×10⁶ S/m的电导率和150-300 F/g的比电容，成为超级电容器电极材料的明星候选。然而传统制备方法如碳热还原法需1500°C高温，且产物易受碳/氧杂质污染——这些杂质会形成碳氮化物或氧氮化物相，使材料电导率下降40%以上，严重制约其实际应用。

针对这一瓶颈，研究人员创新性地采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术，以四氯化钒(VCl₄)和六亚甲基四胺(HMTA)为前驱体，在450°C和500°C两个温度点下于钠钙玻璃和不锈钢基底上沉积VN薄膜。通过SEM、XRD、FTIR和UV-Vis等表征手段，系统研究了温度对薄膜结构性能的影响规律。

研究采用三大关键技术：1) 氨解法制备VN前驱体；2) 低压MOCVD沉积系统(载气流量2.5 dm³/min)；3) 多尺度表征技术组合(SEM观测形貌，XRD分析晶体结构，FTIR检测化学键，UV-Vis测定光学带隙)。

【结构表征结果】
XRD证实所有样品均形成立方晶系VN(JCPDS 35-768)，450°C和500°C沉积的薄膜晶粒尺寸分别为56 nm和62 nm。SEM显示500°C样品呈现更规整的柱状生长形貌，颗粒尺寸从450°C的11.5 nm增大至54.69 nm，这种结构有利于电荷传输。

【光学性能发现】
UV-Vis测试表明温度升高导致光学带隙从3.25 eV降至2.8 eV，归因于晶格膨胀弱化了V-N键。特别值得注意的是，450°C样品在400 nm波长处出现吸收拐点，对应3.25 eV的间接带隙跃迁，而500°C样品吸收边红移明显。

【表面化学分析】
FTIR谱图中900-500 cm^-1范围的V-N特征振动峰证实了氮化物的形成，1979 cm^-1处的C=NH₂峰表明HMTA成功参与配位。EDX显示V/N原子比接近1:1，验证了化学计量比控制的有效性。

该研究突破性地证明：通过精确控制MOCVD沉积温度，可在相对低温(450-500°C)下制备高纯度VN薄膜，且温度升高会同步优化结晶质量和光学吸收性能。这一发现为VN基超级电容器电极和可见光催化剂的工业化制备提供了新思路——500°C沉积的薄膜兼具大比表面积(柱状结构)和窄带隙(2.8 eV)优势，理论上可使器件电荷转移电阻降低60%以上。论文发表于《Next Materials》的这项成果，标志着我国在过渡金属氮化物可控生长领域取得重要进展，为下一代能源材料的性能调控建立了普适性方法学框架。