氧化鎢納米線薄膜的光學(xué)特性的基礎(chǔ)研究.pdf

1、氧化鎢是一類非常重要的光學(xué)材料，具有熱致變色，光致變色，電致變色，氣致變色等特性，以及在節(jié)能環(huán)保，氣敏傳感，光催化，光電轉(zhuǎn)換，超導(dǎo)，負(fù)膠材料(電子束刻蝕)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本博士論文首先綜述了氧化鎢薄膜材料的各種變色現(xiàn)象及其相關(guān)器件的應(yīng)用，并且詳細(xì)討論了氧化鎢薄膜的氣致變色效應(yīng)和氧化鎢納米材料光致發(fā)光現(xiàn)象上存在的具有爭(zhēng)議的問(wèn)題。論文進(jìn)而重點(diǎn)介紹在氧化鎢納米線薄膜的光學(xué)特性方面開(kāi)展的基礎(chǔ)性研究，主要包括氧化鎢納米線

2、薄膜的氣致變色效應(yīng)及其機(jī)理的研究，穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜及其機(jī)理研究，超熒光發(fā)射及其理論模型等方面。本論文的主要工作和取得的研究成果，可概述如下:
　　 1.發(fā)展了WO3納米線薄膜氣致變色物理模型，提出了氣致變色過(guò)程中結(jié)構(gòu)水和氧空位共同存在WO3納米線之中，由此產(chǎn)生的缺陷帶對(duì)變色的光學(xué)過(guò)程有直接影響。針對(duì)WO3薄膜的氣致變色效應(yīng)在物理機(jī)理上存在的爭(zhēng)議問(wèn)題，系統(tǒng)地研究了WO3納米線薄膜氣致變色前后，材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性以及電子能帶結(jié)

3、構(gòu)三方面的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)展了WO3納米線氣致變色物理模型，提出如下新見(jiàn)解:注入材料中的氫原子，會(huì)跟WO3晶體中的氧離子發(fā)生反應(yīng)，形成結(jié)構(gòu)水分子和氧空位，共存于納米線的體內(nèi)。還在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了納米線內(nèi)的結(jié)構(gòu)水在真空和Ar氣的保護(hù)下，可以通過(guò)加熱的方式被排出材料之外。另外，根據(jù)ⅫS的分析可知，結(jié)構(gòu)水和氧空位共存于納米線體內(nèi)，會(huì)引起在材料的帶隙中出現(xiàn)一個(gè)缺陷帶，圍繞于這個(gè)缺陷帶的各種光學(xué)吸收過(guò)程，正是引起納米線薄膜變色的直接原因。

4、>　　 2.通過(guò)改進(jìn)制備工藝和測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了WO3納米線薄膜毫秒數(shù)量級(jí)的超快速氣致變色過(guò)程，并且發(fā)展了兩種能夠較為準(zhǔn)確記錄毫秒數(shù)量級(jí)變色響應(yīng)過(guò)程的光學(xué)測(cè)量和電學(xué)測(cè)量的方法。如此快速的變色響應(yīng)過(guò)程之前未見(jiàn)報(bào)道。同時(shí)，還研究了超快速變色的響應(yīng)時(shí)間與薄膜工作溫度的關(guān)系，觀察到了變色的響應(yīng)時(shí)間強(qiáng)依賴于工作溫度的結(jié)果。
　　 3.在WO3納米線薄膜的快速變色過(guò)程中觀察到了自加熱效應(yīng)，并且對(duì)其發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。這一效應(yīng)之前未見(jiàn)

5、報(bào)道。在研究氣致變色過(guò)程涉及到物理和化學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)上，提出了著色和褪色的整個(gè)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)催化燃燒的放熱過(guò)程。還進(jìn)一步指出，當(dāng)系統(tǒng)的放熱速率大于環(huán)境的散熱速率時(shí)，自加熱效應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生。由于環(huán)境的散熱速率與樣品所在的環(huán)境的溫度有關(guān)，這就能解釋在實(shí)驗(yàn)上觀察到當(dāng)樣品的工作溫度較高時(shí)，自加熱效應(yīng)比較容易發(fā)生的原因。
　　 4.在氧化鎢納米材料的發(fā)光機(jī)理的研究方面，在WO3-x納米線薄膜的光致發(fā)光光譜中觀察到兩個(gè)寬的發(fā)光帶，其中包括中心波

6、長(zhǎng)為395 nm的紫外發(fā)射帶和中心波長(zhǎng)為460 nm的藍(lán)光發(fā)射帶，并且從實(shí)驗(yàn)上證明了WO3-x納米線薄膜的藍(lán)光發(fā)光帶歸屬于WO3的本征發(fā)光，而紫外發(fā)射帶歸屬于材料中氧空位引起缺陷態(tài)的發(fā)光，而且這個(gè)缺陷態(tài)是進(jìn)入WO3導(dǎo)帶中的一個(gè)共振態(tài)。另外，還發(fā)現(xiàn)紫外發(fā)射帶的發(fā)光強(qiáng)度與激發(fā)的波長(zhǎng)具有強(qiáng)的依賴關(guān)系，并且通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的能帶結(jié)構(gòu)模型較好地解釋了上述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　 5.觀察到WO3-x(X<0.1)納米線薄膜的超熒光現(xiàn)象及其在皮秒時(shí)間

7、尺度下的能量傳遞過(guò)程。在波長(zhǎng)為320 nm，脈寬為160 fs的超快脈沖激光的激發(fā)下，WO3-x納米線薄膜的紫外發(fā)射具有超熒光的特點(diǎn)，其中包括發(fā)光強(qiáng)度與泵浦光強(qiáng)度的非線性關(guān)系，輻射光的脈寬與泵浦光強(qiáng)度的依賴關(guān)系，以及在輻射過(guò)程中的頻移效應(yīng)。更值得指出的是，超熒光在皮秒尺度的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程和三峰的精細(xì)光譜結(jié)構(gòu)首次被高時(shí)間分辨率的條紋相機(jī)和高波長(zhǎng)分辨率的光譜儀清晰地記錄了下來(lái)。這些結(jié)果之前未見(jiàn)報(bào)道。
　　 6.在超熒光的理論研究方面