TiO-,2-基半導(dǎo)體材料的光學(xué)和磁學(xué)特性研究.pdf

1、TiO<,2>基半導(dǎo)體薄膜和納米結(jié)構(gòu)的研究與開(kāi)發(fā)對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光材料、自旋電子學(xué)、光催化劑以及染料敏化太陽(yáng)電池等領(lǐng)域具有重要意義。稀土摻雜。TiO<,2>薄膜和納米材料可以獲得從可見(jiàn)到紅外波段的有效發(fā)光；Co摻雜TiO<,2>納米材料可以獲得具有室溫鐵磁性的納米稀磁半導(dǎo)體；N的摻雜可以使TiO<,2>的吸收邊延伸至可見(jiàn)光區(qū)。本論文主要在TiO<,2>材料的制備工藝以及對(duì)其進(jìn)行摻雜等方面開(kāi)展了工作，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、光學(xué)以及磁學(xué)特性進(jìn)行了研究。主

2、要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： (1)用Sol-Gel法制備了TiO<,2>:Tb薄膜并且研究了薄膜的發(fā)光性能。PL研究表明在可見(jiàn)光區(qū)410，432，467，493，550，590和624 nm有較強(qiáng)的發(fā)光峰，分別對(duì)應(yīng)于Tb<'3+>離子4f層內(nèi)的<'5>D<,3>→<'7>F<,5>，<'5>D<,3>→<'7>F<,4>，<'5>D<,3>→<'7>F<,3>，<'5>D<,4>→<'7>F<,6>，<'5>D<,4>→<'7>F

3、<,5>，<'5>D<,4>→<'7>F<,4>和<'5>D<,4>→<'7>F<,3>躍遷。其中最強(qiáng)的發(fā)光為550nm的綠光發(fā)射。研究了綠光強(qiáng)度與Tb<'3+>離子濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Tb<'3+>離子濃度達(dá)到9.5mol％時(shí)發(fā)光強(qiáng)度最大，當(dāng)Tb<'3+>離子濃度高于9.5mol％后發(fā)生濃度猝滅現(xiàn)象。當(dāng)在TiO<,2>:Tb薄膜中摻入Ce<'3+>離子后，Tb<'3+>離子的發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，表明在材料中存在Ce<'3+>對(duì)Tb<'3+

4、>的敏化作用。獲得的薄膜在半導(dǎo)體發(fā)光材料領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 (2)用Sol-Gel法制備了TiO<,2>:Eu薄膜并且研究了材料的結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能，獲得的薄膜有很強(qiáng)的紅光(620nm)和近紅外發(fā)光(815nm)發(fā)射，前者歸因于Eu<'3+>離子4f層內(nèi)<'5>D<,0>→<'7>F<,j>的躍遷發(fā)光，后者是由于TiO<,2>中Ti<'3+>離子的缺陷態(tài)引起的發(fā)光。研究了退火溫度對(duì)薄膜發(fā)光的影響，并且討論了稀土離子在TiO<,2

5、>中的發(fā)光機(jī)理，隨著退火溫度的升高，Eu<'3+>離子的紅光發(fā)射強(qiáng)度先增大后減小，退火溫度為700℃時(shí)紅光最強(qiáng)。對(duì)比純TiO<,2>薄膜的發(fā)光譜后發(fā)現(xiàn)TiO<,2>:Eu薄膜中存在自陷態(tài)激子(STE)向Eu<'3+>離子的能量轉(zhuǎn)移，當(dāng)退火溫度高于700℃后815nm的近紅外光出現(xiàn)并且隨著退火溫度的進(jìn)一步升高發(fā)光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上提出了能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，即在高溫退火后材料存在從TiO<,2>基質(zhì)到Eu<'3+>離子的能量傳遞，同時(shí)Eu<

6、'3+>離子向TiO<,2>基質(zhì)中的Ti<'3+>缺陷態(tài)能量背傳遞，這導(dǎo)致了Eu<'3+>離子的發(fā)光減弱而Ti<'3+>離子的缺陷態(tài)的發(fā)光增強(qiáng)。 (3)用電紡絲(electrospinning)法制備了直徑為75nm左右的TiO<,2>納米纖維。并且對(duì)TiO<,2>納米纖維成功地進(jìn)行了稀土(Er)摻雜，研究了TiO<,2>:Er納米纖維的表面形貌，晶體結(jié)構(gòu)以及光致發(fā)光特性。獲得的材料有很強(qiáng)的位于566.6nm的綠光發(fā)射，是由于E

7、r<'3+>離子4f層內(nèi)<'4>S<,3/2>→<'4>I<,15/2>的躍遷所致。隨著退火溫度的升高Er<'3+>離子綠光發(fā)射顯著增強(qiáng)，在室溫下能用肉眼觀察到。制備的納米纖維在熒光材料領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 (4)用電紡絲法獲得了具有室溫鐵磁性的稀磁半導(dǎo)體(TiO<,2>:Co)納米纖維。獲得的納米纖維其直徑約為70nm，Co的摻雜濃度約為5mol％。用XRD分析了不同溫度下空氣中退火后材料的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與Co有關(guān)的雜相，隨

8、著退火溫度的升高樣品從銳鈦礦轉(zhuǎn)變到金紅石相。通過(guò)VSM測(cè)量表明樣品呈現(xiàn)室溫鐵磁性。分析發(fā)現(xiàn)TiO<,2>:Co納米纖維的發(fā)光譜與純TiO<,2>納米纖維的發(fā)光譜不同，不僅存在TiO<,2>自陷態(tài)激子(STEs)的復(fù)合發(fā)光，而且包含Co<'2+>離子摻雜引起的氧空位的發(fā)光，說(shuō)明TiO<,2>:Co納米纖維的鐵磁性與氧空位有關(guān)，經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為：F中心交換(FCE)作用可能是產(chǎn)生材料鐵磁性的原因，Co<'2+>離子通過(guò)以被氧空位陷落的電子為媒

9、介進(jìn)行鐵磁性耦合，從而使材料呈鐵磁性。 (5)用電紡絲方法制得TiO<,2>納米纖維，然后在NH<,3>氣流中長(zhǎng)時(shí)間退火將N摻入TiO<,2>納米纖維中。對(duì)其表面形貌，結(jié)構(gòu)以及紫外-可見(jiàn)吸收特性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)N摻雜TiO<,2>納米纖維的光學(xué)帶隙(2.7eV)相對(duì)于純TiO<,2>納米纖維減小了約0.46eV，即N的摻雜使TiO<,2>納米纖維的吸收邊延伸到了可見(jiàn)光區(qū)。獲得的材料在光催化以及染料敏化太陽(yáng)電池等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)