磁控溅射制备MoON薄膜电极及其电化学储能性质

doi:10.7503/cjcu20250220

摘要/Abstract

摘要：

采用磁控溅射法制备了具有梯度氧含量的MoON薄膜材料，研究了制备过程中N₂/O₂分压对MoON薄膜微观结构、晶型、化学键合、导电性以及电化学储能性质的影响. 结果表明，在优化氧含量下，当Ar/N₂/O₂的流量(sccm)比为240∶50∶10时， MoON薄膜电极材料展现出最优的电化学储能性质，在1 mol/L Na₂SO₄溶液中，其面积比电容从纯MoN薄膜电极的134 mF/cm²提升至211 mF/cm²，增加了57.5%，而且具有优异的循环稳定性，在充放电10000次之后电容量没有衰减.

关键词: MoON薄膜, 磁控溅射, 薄膜电极, 电化学储能性质

Abstract:

MoON thin films with gradient oxygen content were prepared by magnetron sputtering. The effects of N₂/O₂ partial pressures during the preparation process on the microstructure， crystallinity， chemical bonding， electrical conductivity and electrochemical energy storage performance of MoON thin film electrodes were studied. The results reveal that when the flow rate（sccm） ratio of Ar/N₂/O₂ is 240∶50∶10， the MoON thin-film electrode exhibits the optimal energy storage performance. In a 1 mol/L Na₂SO₄ solution， its capacitance per unit area increases from 134 mF/cm²（pure MoN thin-film electrode） to 211 mF/cm²， with an increase of 57.5%. Moreover， it has excellent cycle stability with no capacitance retention decay after 10000 charge and discharge cycles.

Key words: MoON film, Magnetron sputtering, Thin film electrode, Electrochemical energy storage property

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 11

Table 1 Deposition parameters of MoN

Sample	Bias voltage/V	Temperature/℃	Working pressure/Pa	Target current/A	Time/min	Ar/N₂ flow rate ratio
M1	100	300	0.8	5	60	60∶60
M2	100	300	0.8	5	60	120∶60
M3	100	300	0.8	5	60	180∶60
M4	100	300	0.8	5	60	240∶60
M5	100	300	0.8	5	60	300∶60

Fig.1 SEM images(surface) of MoN thin film under different N₂ partial pressuresAr/N2 flow rate ratio: (A) 60∶60; (B) 120∶60; (C) 180∶60; (D) 240∶60; (E) 300∶60.

Fig.2 SEM images(cross⁃section) of MoN thin film under different N₂ partial pressuresAr/N2 flow rate ratio: (A) 60∶60; (B) 120∶60; (C) 180∶60; (D) 240∶60; (E) 300∶60.

Fig.3 XRD patterns(A) and resistivity(B) of MoN films prepared under different N2 partial pressures

Fig.4 Cyclic voltammetry(CV)(A), galvanostatic charge⁃discharge(GCD)(B) of MoN electrode materials at scan rate of 100 mV/s and current density of 1.0 mA/cm² and corresponded capacitance with different N2 partial pressures(C), CV(D) and GCD curves(E) of the M4 electrode at scan rate of 10—500 mV/s, current density of 0.5—8.0 mA/cm², the relationship between the specific capacitance value of MoN electrode materials and current density(F)

Table 2 Deposition parameters of MoON with gradient O content

Sample	Bias voltage/V	Temperature/℃	Working pressure/Pa	Target current/A	Time/min	Ar/N₂ flow rate ratio
M4	100	300	0.8	5	120	240∶60∶0
M6	100	300	0.8	5	120	240∶55∶5
M7	100	300	0.8	5	120	240∶50∶10
M8	100	300	0.8	5	120	240∶45∶15
M9	100	300	0.8	5	120	240∶40∶20

Fig.5 SEM images(surface) of MoON thin film under different O2 partial pressuresAr/N2/O2 flow rate ratio: (A) 240∶60∶0; (B) 240∶55∶5; (C) 240∶50∶10; (D) 240∶45∶15; (E) 240∶40∶20.

Fig.6 SEM images(cross⁃section) of MoON thin film under different O2 partial pressuresAr/N2/O2 flow rate ratio: (A) 240∶60∶0; (B) 240∶55∶5; (C) 240∶50∶10; (D) 240∶45∶15; (E) 240∶40∶20.

Fig.7 XRD patterns(A) and resistivity(B) of MoON films prepared under different O2 partial pressures

Fig.8 CV curves(A), GCD curves(B) and specific capacitance values(C) of MoN and MoON electrode materials under different O2 partial pressures at scan rate of 100 mV/s, current density of 1.0 mA/cm²

Fig.9 CV curves(scan rate: 10—100 mV/s)(A), GCD curves(B) and specific capacitance values(C) at different current densities, cycling stability(D) of the M7 sample （D） The inset shows the GCD curves from the 10000th to 10005th cycles.

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