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一维二氧化钛纳米材料的构筑及其性能的研究

张弘楠  
【摘要】:由于TiO2具有独特的物理和化学性质,使其在光催化、光电池、传感器、微纳电子及涂料等方面拥有重要的应用价值。而上世纪90年代兴起的纳米材料科学则为以TiO2为对象的基础理论和应用研究注入了新的内容。由于纳米材料的量子尺寸效应、表面效应等使得TiO2纳米材料的结构和性质都与常规TiO2有很大的差别,因此展现出更优秀的性能及更广阔的应用前景。静电纺丝技术的出现,为TiO2的研究提供了一片崭新的天地。目前,大量的TiO2研究工作被扩展到静电纺丝领域;但是对静电纺丝TiO2纳米纤维的结构控制及结构影响却缺乏系统的研究。细致准确的剖析TiO2纳米纤维晶型结构对其各种性能的影响,将直接决定其应用前景。 本论文利用静电纺丝技术结合热处理、金属掺杂、液相反应、水热反应及造孔等技术手段制备了一系列具有不同结构、不同功能的TiO2纳米纤维,并分别研究了这些材料在气敏传感、湿度传感、光催化或场效应晶体管方面的性能以及其各自结构对上述性能的影响。具体的研究成果如下: 1.利用静电纺丝技术配合烧结技术制备了不同晶型的TiO2纳米纤维。TiO2纳米纤维是由纳米粒子堆积形成的纤维结构,其直径并不随烧结温度的变化而改变,但是构成其纤维结构的纳米粒子的粒径却随着烧结温度的升高而增大。XRD测试表明随着烧结温度的增加,TiO2逐渐由锐钛矿相向金红石相转变。所制备的TiO2纳米纤维对丙酮气体有着优秀的传感特性。元件的最优工作温度为320℃;在最优温度下,不同晶型的TiO2气体传感器对丙酮气体的敏感特性不同,500℃下制得的TiO2展现了最优异的敏感性能:其具有极高的灵敏度,其检测限仅为1.4ppm;其对丙酮气体的响应时间为4s,恢复时间为3s;此外,该元件还表现出了极其优异的选择性及稳定性。通过调节TiO2的晶型结构可有效的调节材料的气敏性能。 2.分别制备了Li+、Mg2+/Na+掺杂的TiO2复合纳米纤维,并研究了其对TiO2纳米纤维形貌、结构及湿敏特性的影响。金属离子的引入会造成TiO2纤维直径的细化;同时会对TiO2的相转变起到影响作用:Li+会促进相转变,适量的Mg2+/Na+也会促进相转变,但是过量的Mg2+则会抑制相转变的发生。引入金属离子后,TiO2纳米纤维的湿敏特性得到大幅提升。其湿敏特性与金属离子的含量及烧结的温度均有直接关系。所得材料在湿滞回差、响应恢复速率以及稳定性等方面均表现出了极其优秀的性能。对实际湿度环境的测试表明我们所制得的湿敏元件完全能够满足市场对相关产品的需求。紫外照射后样品的湿敏性能明显变差,但是将照射后的样品在避光条件下静止一段时间后,其湿敏性能又会逐渐恢复;同时样品在紫外照射后展现出超亲水的特性。这些性能为材料在抗雾、防污等领域的应用提供了可能性。 3.通过控制烧结温度制备了不同锐钛矿/金红石含量的TiO2纳米纤维。XRD、可见拉曼及紫外拉曼测试综合研究结果表明,TiO2纳米纤维表面的相转变速率要快于其内层的相转变速率,造成其表面及内层晶型分布的差异。不同晶型比例的Ti02纳米纤维具有不同的光催化活性。575℃下制得的TiO2纳米纤维具有最好的光催化活性,这要归功于金红石与锐钛矿界面间的协同效应。随后,分别制备了两种不同结构的锐钛矿-金红石核壳结构TiO2纳米纤维。XRD测试表明两种核壳纤维均为混合晶型。而可见拉曼和紫外拉曼则证实了其层状结构。核壳结构TiO2纳米纤维的光催化活性与其表面壳层所对应的纯相TiO2纳米纤维相接近。上述事实表明TiO2纤维的光催化活性主要受其表面结构控制。 4.利用平行板纺丝法制备了平行排列的TiO2纳米纤维,并将其制成顶栅结构场效应晶体管元件。分别研究了晶型结构、介孔结构以核壳结构对其晶体管特性的影响。纯晶相(锐钛矿或金红石)的TiO2纳米纤维元件并没有展现出晶体管特性,但是混合晶型的TiO2纤维却展现出一定的晶体管特性。采用P123作为造孔剂制得了具有介孔结构的TiO2纳米纤维。纤维比表面积随着造孔剂的增加而增加,证明了其孔道的存在。XRD和可见拉曼测试表明造孔剂含量的加大会抑制纤维相转变的进行。FET特性测试结果显示,适当的介孔结构可有效提升材料的FET特性,但是孔道含量过多反而会造成其FET特性有所下降。利用水热合成法制备了树枝状锐钛矿-金红石异质结构TiO2准一维结构材料。利用SEM、TEM、XRD及拉曼等测试对纤维表面纳米棒的生长过程进行了表征。其FET特性大幅提升,有明显的饱和区出现,其开启电压为-52 V,场效应迁移率则高达10.1cm2V-1s-1。此外,该器件还表现出极为优异的对湿度及时间的稳定性。上述优异的性能使得该核壳结构材料在微电子领域的有着极大的应用前景。


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