等离子体注入碳掺杂二氧化钛薄膜制备及其性能研究.pdf

目录
j 商 m ˈ릆 i
A b stract ˈ릆 II
W .- M 绪论ˈ릆 1
1. 1 前言ˈ릆 1
1. 2 二氧化钛及其性能简介ˈ릆 2
1. 2. 1 二氧化钛的晶型和能带结构ˈ릆 2
T i02光催化原理ˈ릆 5
1. 3 二氧化钛胜要制备方法ˈ릆 7
1. 磁控溅射法ˈ릆 7
1. 3. 2 其他制备方法ˈ릆 9
1^ 02光催化剂的应用ˈ릆 10
1. 4. 1 纳米二氧化钛在环境保护领域的应用
. 2 染料敏化太阳能电池ˈ릆
1. 4 . 3 二氧化钛的其他应用ˈ릆
1. 4. 4 纳米二氧化铁应用前景展望ˈ릆 12
影响光催化活性的因素ˈ릆 13
. 1 晶体结构的影响ˈ릆 13
. 2 表面积、的影响ˈ릆 15
. 3 粒子大小的影响ˈ릆 15
. ˈ릆4 载流子俘获剂的影响ˈ릆 15
1. 6 改善二氧化铁可见光活性的方法ˈ릆 16
1. ˈ릆6. 1 非金属兀素掺杂 T i02 ˈ릆 17
. ˈ릆2 其他敏化方法(过渡金属掺杂、贵金属沉积、半导体复合) ˈ릆 20
1. 8 本论文的选题意义及研究思路ˈ릆 22
胃二? 实验ˈ릆 24
2. 1 化学试剂和# 验仪器ˈ릆 24
2. ˈ릆1. 1 化学试剂及规格ˈ릆 24
2. 主要实验仪器ˈ릆 2 5
2. ˈ릆2 分析测试方法ˈ릆 26
2. 2. 1 样品的表面形貌测试ˈ릆 2 6
2. 2. 2 样品的晶型结构测试ˈ릆 26
2. XPS 分析ˈ릆 26
UV-V is 吸收光谱ˈ릆 26
2. 2. 5 光电化学测试ˈ릆 26
2 . 2 . 6 光催化性能ˈ릆 27
2. 2. 7 亲水性能ˈ릆 27
P III 技术与自制 P III 设备简介ˈ릆 2 8
2. 2. 9 等离子体注入剂量的标定方法ˈ릆 3 0
2. ˈ릆2. 10 碳掺杂 T i02 薄膜的制备ˈ릆 3 1
第三章碳掺杂薄膜的制备及其光电化学性能研究ˈ릆 33
3. ˈ릆1 样品的表征及光电化学测试ˈ릆 3 3
3. 2 结果与讨论ˈ릆 3 3
3. ˈ릆2. 1 样品的表面形貌ˈ릆 3 3
样品的乂1? 分析ˈ릆 34
3. 2 . 3 薄膜表面成分分析ˈ릆 3 8
3. 2. 4 离子注入时间和注入电压对样品光电化学性能的影响ˈ릆 4 2
3. 2 . 5 薄膜的光学‘性能测试ˈ릆 4 4
3. 3. 7 薄膜的光催化活性分析ˈ릆 4 5
薄膜的亲水性分析ˈ릆 4 7
第四章总结与展望ˈ릆 50
摘要
T i0 2 具有价格便宜、无毒、原料易得、抗光腐蚀性、化学稳定性高等优点,
是目前研究最为广泛的半导体光催化剂之一。T i0 2 可应用于光催化分解水制氢、
降解污染物或太阳能电池等多个方面。但丁丨0 2 禁带宽度较宽,仅吸收紫外光,
对太阳能的利用率很低, 限制了其在太阳能利用领域的实际应用,因而对 T i0 2
进行各种修饰掺杂以提高其在可见光下光电转换效率的研究是当前的热点课题。
本论文中运用射频磁控溅射方法在室温下制备二氧化钛薄膜于钛片基底上,
其薄膜厚度由台阶仪测出大约为 lOOnm 。随后使用等离子体浸入式离子注入方
法对 T i0 2 薄膜进行不同时间和不同能量的碳离子注入掺杂,从而得到掺碳含量
不同的 T i0 2 薄膜。分别使用了 X R D 、X P S 、A FM 等来表征薄膜的形貌、价态
以及光学特性。样品在可见光下的光电特性由电化学工作站记录,其光源为模
拟太阳光的氙灯。
结果表明,所有的样品都以锐钛矿形式出现。掺杂的碳离子或者以间隙原
子挤入 Ti0 2 晶格内部,从而引起晶格畸变;或者替代了 T i4+离子,使得能带减
小,使其吸收带边显著红移。在 X P S 光谱中,没有发现 T i-C 键,从而证明了
上述观点。当注入碳含量增多时, 薄膜晶粒尺寸也随之减小,这也导致了品格
随着注入能量的增加而逐渐扭曲的原因。随着碳离子注入能量的变化,薄膜的
表面形貌和元素价态也发生了相应的变化。在光生电流的测试中,所有掺碳样
品都表现了光电增强的特性