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銀銅微納結(jié)構(gòu)的紫外光化學(xué)沉積 答 辯 人：劉平軍 專 業(yè)：材料科學(xué)與工程 指導(dǎo)老師：陳福義（教授） 本論文的主要內(nèi)容 銀銅微納結(jié)構(gòu)紫外光化學(xué)沉積 實(shí)驗(yàn)儀器及原理的解釋 硅基體上晶體銅的制備 硅基體上微納米銀的制備 硅基體上微納米銀銅合金的制備 薄膜分形維數(shù)的測(cè)定 鈦基體上三種形貌微納米銀的制備 銀銅微納結(jié)構(gòu)的紫外光化學(xué)沉積 背景：合成尺寸、形貌、組成可控的微納米粒子，不僅為開發(fā)微納米材料的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，而且可為新材料的發(fā)展開辟一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，并為微納米材料的形成機(jī)理、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、功能分子的設(shè)計(jì)、制各和組裝、微納米材料的穩(wěn)定性、微納米功能材料的復(fù)合以及所涉及的表面、界面及功能協(xié)同等方面的深入研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 目的：本論文的主要研究目的為設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)條件溫和、易于重復(fù)、簡(jiǎn)便易行、綠色環(huán)保的合成路線在半導(dǎo)體硅、二氧化鈦上制備形貌、尺寸、組成可控的銀、銅及銀銅微納米粒子及薄膜；通過本論文的研究工作對(duì)今后的進(jìn)一步探索微納米粒子及薄膜的制備及應(yīng)用研究提供可以借鑒的方法。本文力求通過實(shí)驗(yàn)條件的變化對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行探討，從而揭示不同尺寸、不同形貌、不同組成的微納米材料的生長(zhǎng)規(guī)律。 銀銅微納結(jié)構(gòu)的紫外光化學(xué)沉積 定義：紫外光化學(xué)沉積是指在光照的條件下，金屬離子或金屬絡(luò)合物在基板上得電子被還原，從而沉積在基板上的一個(gè)過程。連續(xù)沉積將在基板上得到一層金屬薄膜。 優(yōu)點(diǎn)：傳統(tǒng)方法相比，該方法具有反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)單、易于控制、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，而且產(chǎn)品具有較高的純度、窄的粒徑分布和均一的形態(tài)，不僅能夠用于微納米材料的制備，還可以對(duì)微納米材料的尺寸、形貌及組成進(jìn)行控制，因而在納米材料合成領(lǐng)域里顯示了良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)HF作用機(jī)制的發(fā)現(xiàn)及探索、提出的形核長(zhǎng)大競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制及曲率效應(yīng)、得到了沉積均勻銀薄膜的較好反應(yīng)條件、在銀銅合金的沉積過程中發(fā)現(xiàn)了置換機(jī)制、臨界值的提出、“核桃仁”生長(zhǎng)機(jī)制的提出、發(fā)現(xiàn)了銅銀比例特別高的“霧狀”薄膜、用分形方法對(duì)“核桃仁”狀薄膜的分形維數(shù)進(jìn)行了測(cè)定并和DLA模型進(jìn)行了對(duì)比、以鈦為基體成功的制備出了二氧化鈦薄膜并在二氧化鈦薄膜上制備出了三種不同形貌的微納米銀。 實(shí)驗(yàn)儀器介紹 硅、二氧化鈦的禁帶寬度分別為1.12eV和3.2eV，365nm紫外光子能量為3.4eV 硅基體上銅晶體的制備 硅基體上銅晶體的制備 硅基體上銅晶體的制備 硅基體上銅晶體的制備 硅基體上銅晶體的制備 綜合上圖的各種現(xiàn)象，我們提出了形核長(zhǎng)大的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，即形核長(zhǎng)大在時(shí)間上始終都在基板上存在，一方面粒子趨向于沉積到已形成的金屬上，另一方面粒子趨于在空位基板上形核長(zhǎng)大，而趨于沉積到金屬上的驅(qū)動(dòng)力更大。 曲率效應(yīng)：曲率對(duì)形核長(zhǎng)大過程的影響極大，曲率大，電荷聚集密度高，靜電吸引作用很強(qiáng)，還原過程也快，長(zhǎng)大速率就很快；曲率小，電荷聚集密度低，靜電吸引作用弱，還原過程慢，長(zhǎng)大速率也就慢， 形核長(zhǎng)大的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，存在著雙重競(jìng)爭(zhēng)。在粒子是沉積在金屬上還是基板上存在競(jìng)爭(zhēng)，沉積在金屬上的競(jìng)爭(zhēng)力大；而一旦粒子沉積在基板上，與此同時(shí)，小顆粒與大顆粒的長(zhǎng)大出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，小顆粒大的曲率競(jìng)爭(zhēng)力大。 競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的原因：n型半導(dǎo)體的功函數(shù)小于金屬的功函數(shù)，當(dāng)n型半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，n型半導(dǎo)體中的電子將向金屬一邊轉(zhuǎn)移；金屬原子之間的鍵能比金屬和半導(dǎo)體之間的鍵能大；形成的金屬曲率大，曲率效應(yīng)。 硅基體上微納米銀的制備 硅基體上微納米銀的制備 為什么銀的形核率比銅大得多，但銀的沉積卻又不像銅那樣形成有規(guī)則形貌的晶體？ 我們從鍵能和表面能入手： 鍵能我們可以通過升華熱來近似計(jì)算。我們假設(shè)固體升華時(shí)形成單個(gè)原子，即原子的每個(gè)鍵都斷開，1.0 mol固體物質(zhì)升華將有6.02×1023個(gè)原子將所有鍵斷開。我們查到銀的升華熱QAg為286kJ/mol，銀為面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子有12個(gè)鍵，每個(gè)鍵分屬兩個(gè)原子，所以1.0 mol的銀有6×6.02×1023個(gè)鍵，于是每個(gè)鍵的能量為UAg=QAg/6×6.02×1023=7.92 ×10-20 J=0.495eV。同時(shí)銅的升華熱QCu為339kJ/mol，銅也為面心立方結(jié)構(gòu)，算出銅的鍵能為UCu=QCu/6×6.02× 1023=9.385×10-20 J=0.587eV。從上可知，銅的鍵能將近比銀的鍵能大0.1eV，對(duì)于單個(gè)鍵來說，這是非常大的。 硅基體上微納米銀的制備 2.晶面的表面能：對(duì)面心立方來說，設(shè)晶格常數(shù)為a，從（100）面斷開，每個(gè)原子要斷開4個(gè)鍵，每個(gè)鍵分屬兩個(gè)原子，所以對(duì)（100）面來說每個(gè)原子斷鍵提供的能量為4×1/2=2個(gè)鍵能的能量，每個(gè)原子在（100）面占據(jù)的面積為a2/2，每個(gè)原子提供的鍵能和其占據(jù)的面積之比即為表面能，所以（100）的表面能U(100)=4U/a2（式中U為鍵能）。同理，從（110）面斷開每個(gè)原子將斷開5個(gè)鍵，提供的鍵能為5/2個(gè)鍵的能量，每個(gè)原子在（110）面占據(jù)的面積為√2a2/2，所以（110）面的表面能U(110)=5√ 2U/2a2；從（111）面斷開每個(gè)原子將斷開3個(gè)鍵，提供的鍵能為3/2個(gè)鍵的能量，每個(gè)原子在(111)面占據(jù)的面積為√ 3a2/4，所以(111)面的表面能U(111)=2√ 3U/a2。我們又查的Cu的晶格常數(shù)a=0.3615nm，Ag的晶格常數(shù)a=0.409nm，我們即可算出Cu和Ag各個(gè)晶面的表面能， 列表如下: 硅基體上微納米銀的制備 硅基體上微納米銀的制備 硅基體上銀銅合金的制備 置換機(jī)制：Cu + 2Ag+→Cu2+ + 2Ag 硅基體上銀銅合金的制備（改變配比） 硅基體上銀銅合金的制備（改變配比） 硅基體上銀銅合金的制備（改變配比） 硅基體上銀銅合金的制備（改變配比） 硅基體上銀銅合金的制備（改變配比） 硅基體上銀銅合金的制備（改變配比） 硅基體上銀銅合金的制備（加入PVP） 硅基體上銀銅合金的制備（利用擴(kuò)散機(jī)制） 硅基體上銀銅合金的制備（增大比例） 硅基體上銀銅合金的制備（增大比例） 薄膜的分形維數(shù)的測(cè)定 薄膜的分形維數(shù)的測(cè)定 Ti基體上微納米銀的制備 二氧化鈦薄膜的制備：將切割成1cm×1cm的小鈦片在超聲波清洗器中用等離子水清洗15分鐘，之后在超聲波清洗器中用丙酮清洗15分鐘，再用大量的去離子水沖洗試樣，然后將試樣浸入拋光液中拋光1-2分鐘，拋光液的組成為：5%的氫氟酸+30%的硝酸+55%的去離子水。最后用大量的去離子水沖洗試樣，在空氣流中干燥。將拋光后的鈦片放入管式電阻爐中300度左右氧化10分鐘，即可在表面得到一層氧化膜。 微納米銀的制備：將制有二氧化鈦薄膜的試樣在超聲波清洗器中用等離子水清洗15分鐘，之后在超聲波清洗器中用丙酮清洗15分鐘，再用大量的去離子水沖洗試樣，在熱的空氣流中干燥試樣。將配好的一定濃度的AgNO3溶液導(dǎo)入到反應(yīng)器皿中，將制有二氧化鈦薄膜的鈦片浸入溶液中，開啟光固機(jī)，照射頭光斑對(duì)準(zhǔn)試樣中央，于是在鈦基體上開始了微納米銀的生長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間結(jié)束，將鈦片取出，用濾紙吸干表面殘留的液體，放入干燥箱中干燥30分鐘，之后將試樣編號(hào)，存放入干燥的器皿中。 Ti基體上三種形貌的微納米銀 Ti基體上三種形貌的微納米銀 Ti基體上三種形貌的微納米銀ROx紅軟基地

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