N摻雜及PdO納米顆粒對TiO-,2-薄膜光學(xué)性能的影響.pdf

1、TiO<,2>具有催化性高、穩(wěn)定性好、無毒等優(yōu)越的性能且價格低廉，因而得到了廣泛應(yīng)用。利用納米Ti<,2>光催化進行污染物處理，是一項頗有發(fā)展前途的催化處理技術(shù)。本文制備了納米TiO<,2>薄膜和摻雜TiO<,2>薄膜，分析了薄膜的成分、組織結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能，并通過模擬計算探討了摻氮對TiO<,2>電子能帶結(jié)構(gòu)的影響及光吸收性能提高的機理。 采用電子束加熱蒸發(fā)離子束輔助沉積的方法制備了四種薄膜：TiO<,2>薄膜、低摻氮TiO<,

2、2>薄膜、高摻氮TiO<,2>薄膜、摻氮及PdO的TiO<,2>薄膜。本實驗通過控制基片座的溫度，得到了所需的銳鈦礦型的TiO<,2>薄膜；通過控制N<,2>的分壓，能夠很好地控制TiO<,2>薄膜中的氮含量；用薄膜厚度檢測器控制薄膜厚度均為45nm左右。 采用X-射線光電子能譜儀(XPS)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)分析表征了薄膜的成分及結(jié)構(gòu)。選區(qū)電子衍射(SAED)及高分辨電子顯微分析

3、(HRTEM)表明，未摻氮薄膜為銳鈦礦型TiO<,2>，晶粒尺寸約20～30 nm；相比之下，摻氮薄膜的晶粒尺寸更小，約10～20 nm。摻氮量較低(小于1.7 at.％)時，薄膜仍由單一銳鈦礦型TiO<,2>物相構(gòu)成；摻氮量較高時，在本實驗條件下，薄膜中將出現(xiàn)TiN顆粒。利用高角度環(huán)形暗場成像(HAADF)技術(shù)結(jié)合X-射線能譜儀(EDS)分析表明PdO摻雜薄膜由粒徑為10～20nm銳鈦礦型TiO<,2>基體及分布于其中的粒徑約2～3

4、nm的PdO組成。紫外-可見光分光光譜(UV-Visble Spectrum)測試表明，氮摻雜使TiO<,2>薄膜的光吸收區(qū)域從紫外光區(qū)(<400 nm)擴展到～550 nm。用氮及PdO同時摻雜的薄膜，顯示出異常高的可見光吸收性能，且光吸收范圍幾乎覆蓋整個可見光范圍。 利用可視化的MS(Material Studio)軟件包對銳鈦礦型TiO<,2>及摻氮TiO<,2>進行第一性原理計算，探討了摻氮量對TiO<,2>的光吸收性

5、能的影響及其作用機理。能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度計算結(jié)果驗證了氮摻雜減小價帶和導(dǎo)帶之間的能隙，導(dǎo)致TiO<,2>在可見光范圍光吸收性能提高的事實。在此基礎(chǔ)上，本論文計算發(fā)現(xiàn)摻氮量存在一個臨界值，在低于這一臨界值時，能隙的減小主要來源于N2p，當(dāng)高于這一臨界值時，能隙的減小不僅只來源于N2p，并且O能級的提高也對能隙的減小有貢獻。光學(xué)吸收性能模擬結(jié)果表明摻氮能夠提高TiO<,2>對可見光的吸收性能，且摻氮量對其有很大影響，尤其是高摻氮時會使TiO<