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(kāi)發(fā)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3. 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

引 言

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?dú)夥肿樱瑥亩尫懦龃罅挎I能和張力能[1-2]。瑞典國(guó)防研究院(FOI)的?stmark博士[3]通過(guò)理論計(jì)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(guò)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(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)了很大的困難。

本研究通過(guò)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?dú)鉃榉磻?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。

1 實(shí) 驗(yàn)

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(shí)間質(zhì)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(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(shí)間質(zhì)譜儀上通過(guò)脈沖激光濺射，產(chǎn)生金屬摻雜的氮團(tuán)簇。激光波長(zhǎng)為532nm，激光能量約為10mJ/pulse，重復(fù)頻率為10Hz。高純氮?dú)鉃檩d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(guò)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(shí)間質(zhì)譜的微通道版(MCP)探測(cè)器。來(lái)自探測(cè)器的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器之后，由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)自行編制的軟件采集到計(jì)算機(jī)。團(tuán)簇從產(chǎn)生到被質(zhì)譜檢測(cè)的時(shí)間約200μs，質(zhì)譜分辨率(M/ΔM)約600。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光濺射LiF產(chǎn)生鋰氮簇

利用532nm的納秒激光轟擊LiF固體樣品，使用高純氮?dú)鉃檩d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

2.2 激光濺射LiF和金屬氮化物產(chǎn)生鋰氮簇

為進(jìn)一步探究底物對(duì)鋰氮簇形成的影響，向LiF樣品中增加了不同比例的無(wú)機(jī)富氮材料，開(kāi)展了類似實(shí)驗(yàn)。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?dú)鉃榉磻?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

2.3 鋰氮簇的形成分析

3 結(jié) 論