高氮含量鋰氮團簇的生成與檢測

丁可偉，李陶琦，許洪光，蘇海鵬，劉 影，鄭衛軍，葛忠學

(1. 西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2. 氟氮化工資源高效開發與利用國家重點實驗室，陜西 西安 710065；3. 中國科學院化學研究所，北京分子科學國家實驗室，北京 100190)

引 言

氮簇材料是一類由氮原子構成的材料，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，在燃燒等化學反應中，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，結果顯示其理論爆速、爆壓遠遠超過了傳統含能材料。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生等離子體，以高純氮氣為反應氣和載氣，冷卻產生的活性基元并參與反應，生成了一系列鋰氮團簇，并獲得其質譜，為進一步研究其結構和性能奠定了基礎，以期為亞穩態高能團簇的構建提供借鑒。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

氟化鋰(LiF)、氮化鋯(ZrN)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)均為市售分析純。

反射式飛行時間質譜儀[19,20,22]，自制。

1.2 鋰氮簇的生成

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譜儀上通過脈沖激光濺射，產生金屬摻雜的氮團簇。激光波長為532nm，激光能量約為10mJ/pulse，重復頻率為10Hz。高純氮氣為載氣，以輔助氮團簇的生成，并冷卻激光濺射所產生的團簇。氮團簇通過Skimmer進入加速區加速之后再經適當的偏轉、聚焦到達反射區，經反射最終到達反射式飛行時間質譜的微通道版(MCP)探測器。來自探測器的信號經過前置放大器之后，由數據采集卡轉換成數字信號，再通過自行編制的軟件采集到計算機。團簇從產生到被質譜檢測的時間約200μs，質譜分辨率(M/ΔM)約600。

2 結果與討論

2.1 激光濺射LiF產生鋰氮簇

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氣體，得到的質譜圖如圖1所示。

圖1 激光轟擊LiF樣品產生的質譜圖Fig.1 Mass spectrum of clusters generated by laser ablation of a LiF target

2.2 激光濺射LiF和金屬氮化物產生鋰氮簇

為進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氣體和載氣得到的質譜圖。

圖2 激光轟擊LiF與ZrN、BN和AlN混合樣品產生的質譜圖Fig.2 Mass spectra of Li-N clusters generated by laser ablation of mixture targets of LiF with ZrN, BN and AlN

2.3 鋰氮簇的形成分析

3 結 論