丁可偉,李陶琦,許洪光,蘇海鵬,劉 影,鄭衛(wèi)軍,葛忠學(xué)
(1. 西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065;2. 氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國家重點實驗室,陜西 西安 710065;3. 中國科學(xué)院化學(xué)研究所,北京分子科學(xué)國家實驗室,北京 100190)
氮簇材料是一類由氮原子構(gòu)成的材料,氮原子間一般用弱的N—N(159kJ/mol)或N=N(419kJ/mol)連接,并含有高張力環(huán),在燃燒等化學(xué)反應(yīng)中,生成高鍵能(946kJ/mol)的氮氣分子,從而釋放出大量鍵能和張力能[1-2]。瑞典國防研究院(FOI)的?stmark博士[3]通過理論計算研究了氮簇材料的爆轟性能,結(jié)果顯示其理論爆速、爆壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)含能材料。但氮簇材料的生成活化能高,分解能壘低,使其難生成且易分解,給實驗研究帶來了很大的困難。
本研究通過脈沖激光濺射氟化鋰和金屬氮化物產(chǎn)生等離子體,以高純氮氣為反應(yīng)氣和載氣,冷卻產(chǎn)生的活性基元并參與反應(yīng),生成了一系列鋰氮團(tuán)簇,并獲得其質(zhì)譜,為進(jìn)一步研究其結(jié)構(gòu)和性能奠定了基礎(chǔ),以期為亞穩(wěn)態(tài)高能團(tuán)簇的構(gòu)建提供借鑒。
氟化鋰(LiF)、氮化鋯(ZrN)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)均為市售分析純。
反射式飛行時間質(zhì)譜儀[19,20,22],自制。
分別將LiF、LiF/ZrN(摩爾比4∶1)、LiF/BN(摩爾比2∶1)以及LiF/AlN(摩爾比2∶1)粉末經(jīng)壓片制成直徑為13mm、厚度為2~5mm的固體樣品,然后在反射式飛行時間質(zhì)譜儀上通過脈沖激光濺射,產(chǎn)生金屬摻雜的氮團(tuán)簇。激光波長為532nm,激光能量約為10mJ/pulse,重復(fù)頻率為10Hz。高純氮氣為載氣,以輔助氮團(tuán)簇的生成,并冷卻激光濺射所產(chǎn)生的團(tuán)簇。氮團(tuán)簇通過Skimmer進(jìn)入加速區(qū)加速之后再經(jīng)適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)、聚焦到達(dá)反射區(qū),經(jīng)反射最終到達(dá)反射式飛行時間質(zhì)譜的微通道版(MCP)探測器。來自探測器的信號經(jīng)過前置放大器之后,由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再通過自行編制的軟件采集到計算機(jī)。團(tuán)簇從產(chǎn)生到被質(zhì)譜檢測的時間約200μs,質(zhì)譜分辨率(M/ΔM)約600。
利用532nm的納秒激光轟擊LiF固體樣品,使用高純氮氣為載氣和反應(yīng)氣體,得到的質(zhì)譜圖如圖1所示。
圖1 激光轟擊LiF樣品產(chǎn)生的質(zhì)譜圖Fig.1 Mass spectrum of clusters generated by laser ablation of a LiF target
為進(jìn)一步探究底物對鋰氮簇形成的影響,向LiF樣品中增加了不同比例的無機(jī)富氮材料,開展了類似實驗。圖2分別為利用532nm的納秒激光轟擊LiF/ZrN(摩爾比4∶1)、LiF/BN(摩爾比2∶1)及LiF/AlN(摩爾比2∶1)固體樣品,并使用高純氮氣為反應(yīng)氣體和載氣得到的質(zhì)譜圖。
圖2 激光轟擊LiF與ZrN、BN和AlN混合樣品產(chǎn)生的質(zhì)譜圖Fig.2 Mass spectra of Li-N clusters generated by laser ablation of mixture targets of LiF with ZrN, BN and AlN