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纳米TiO_2薄膜结构与光电特性研究

李云  
【摘要】:纳米薄膜材料因为具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等,会具有一些不同于常规体相材料的光学、力学、电磁学性能等。纳米氧化钛薄膜因其在可见光区透射率高,折射率大,化学稳定性高、强度大、硬度高,己被广泛地应用于光电转换、电致变色窗、太阳能电池、薄膜光波导、干涉滤波片和抗反射涂层等领域。作为光催化膜,被广泛的应用到光催化洁净和水、气的净化处理,杀菌和抗癌方面。 本论文用电子束蒸发法成功制备了纳米氧化钛薄膜。分析了各种工艺条件对氧化钛薄膜折射率的影响,得到制备氧化钛薄膜的最佳工艺参数:基片温度200℃、真空度2×10~(-2)Pa、沉积速率0.2nm/s、电子枪束流100mA。接着研究了热处理、掺杂对氧化钛薄膜形貌、结构和性质(折射率、紫外-可见光透射率、红外透射率、光吸收性和电阻率)的影响。实验发现掺杂CeO_2使氧化钛薄膜的禁带宽度Eg从3.27ev减小到2.51ev,从而使光学吸收边从380nm红移到495nm,大大提高了对太阳光或可见光的利用能力,此项数据比Lei Mao报道的高(428nm)。XRD测试表明,掺杂CeO_2抑制了锐钛矿向金红石的转变。未掺杂氧化钛薄膜锐钛矿向金红石的转变温度为850℃,掺杂Ce的薄膜为950℃。所以掺杂Ce稳定了锐钛矿结构,细化了晶粒。 氧化钛对紫外线有强烈的吸收(吸收边在380nm处),但对可见光利用的很少。将吸收边从紫外区红移到可见光区,这一点在光电转换、太阳能利、光催化等领域是有实际意义的。在光催化方面TiO_2的激发必须在高能量的紫外光下才能进行,而到达地面的太阳能中只有3-4%的紫外光,人工紫外光又价格昂贵,所以将光激发红移到可见光区,可降低成本、节省能源。另一方面,锐态矿的二氧化钛晶格内有较多的缺陷和位错网,从而产生较多的氧空位来捕获电子,有较高的光活性,用于光电极、太阳能电池等方面。


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