高氮含量锂氮团簇的生成与检测

丁可伟，李陶琦，许洪光，苏海鹏，刘 影，郑卫军，葛忠学

(1. 西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2. 氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室，陕西 西安 710065；3. 中国科学院化学研究所，北京分子科学国家实验室，北京 100190)

引 言

氮簇材料是一类由氮原子构成的材料，氮原子间一般用弱的N—N(159kJ/mol)或N=N(419kJ/mol)连接，并含有高张力环，在燃烧等化学反应中，生成高键能(946kJ/mol)的氮气分子，从而释放出大量键能和张力能[1-2]。瑞典国防研究院(FOI)的Östmark博士[3]通过理论计算研究了氮簇材料的爆轰性能，结果显示其理论爆速、爆压远远超过了传统含能材料。但氮簇材料的生成活化能高，分解能垒低，使其难生成且易分解，给实验研究带来了很大的困难。

本研究通过脉冲激光溅射氟化锂和金属氮化物产生等离子体，以高纯氮气为反应气和载气，冷却产生的活性基元并参与反应，生成了一系列锂氮团簇，并获得其质谱，为进一步研究其结构和性能奠定了基础，以期为亚稳态高能团簇的构建提供借鉴。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

氟化锂(LiF)、氮化锆(ZrN)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)均为市售分析纯。

反射式飞行时间质谱仪[19,20,22]，自制。

1.2 锂氮簇的生成

分别将LiF、LiF/ZrN(摩尔比4∶1)、LiF/BN(摩尔比2∶1)以及LiF/AlN(摩尔比2∶1)粉末经压片制成直径为13mm、厚度为2～5mm的固体样品，然后在反射式飞行时间质谱仪上通过脉冲激光溅射，产生金属掺杂的氮团簇。激光波长为532nm，激光能量约为10mJ/pulse，重复频率为10Hz。高纯氮气为载气，以辅助氮团簇的生成，并冷却激光溅射所产生的团簇。氮团簇通过Skimmer进入加速区加速之后再经适当的偏转、聚焦到达反射区，经反射最终到达反射式飞行时间质谱的微通道版(MCP)探测器。来自探测器的信号经过前置放大器之后，由数据采集卡转换成数字信号，再通过自行编制的软件采集到计算机。团簇从产生到被质谱检测的时间约200μs，质谱分辨率(M/ΔM)约600。

2 结果与讨论

2.1 激光溅射LiF产生锂氮簇

利用532nm的纳秒激光轰击LiF固体样品，使用高纯氮气为载气和反应气体，得到的质谱图如图1所示。

图1 激光轰击LiF样品产生的质谱图Fig.1 Mass spectrum of clusters generated by laser ablation of a LiF target

2.2 激光溅射LiF和金属氮化物产生锂氮簇

为进一步探究底物对锂氮簇形成的影响，向LiF样品中增加了不同比例的无机富氮材料，开展了类似实验。图2分别为利用532nm的纳秒激光轰击LiF/ZrN(摩尔比4∶1)、LiF/BN(摩尔比2∶1)及LiF/AlN(摩尔比2∶1)固体样品，并使用高纯氮气为反应气体和载气得到的质谱图。

图2 激光轰击LiF与ZrN、BN和AlN混合样品产生的质谱图Fig.2 Mass spectra of Li-N clusters generated by laser ablation of mixture targets of LiF with ZrN, BN and AlN

2.3 锂氮簇的形成分析

3 结 论