TiO-,2-基半導體材料的光學和磁學特性研究.pdf

1、TiO<,2>基半導體薄膜和納米結構的研究與開發(fā)對半導體發(fā)光材料、自旋電子學、光催化劑以及染料敏化太陽電池等領域具有重要意義。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體；N的摻雜可以使TiO<,2>的吸收邊延伸至可見光區(qū)。本論文主要在TiO<,2>材料的制備工藝以及對其進行摻雜等方面開展了工作，對材料的結構、光學以及磁學特性進行了研究。主

2、要內(nèi)容包括以下幾個方面： (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研究表明在可見光區(qū)410，432，467，493，550，590和624 nm有較強的發(fā)光峰，分別對應于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。其中最強的發(fā)光為550nm的綠光發(fā)射。研究了綠光強度與Tb<'3+>離子濃度的關系，發(fā)現(xiàn)當Tb<'3+>離子濃度達到9.5mol％時發(fā)光強度最大，當Tb<'3+>離子濃度高于9.5mol％后發(fā)生濃度猝滅現(xiàn)象。當在TiO<,2>:Tb薄膜中摻入Ce<'3+>離子后，Tb<'3+>離子的發(fā)光強度明顯增強，表明在材料中存在Ce<'3+>對Tb<'3+

4、>的敏化作用。獲得的薄膜在半導體發(fā)光材料領域有潛在的應用價值。 (2)用Sol-Gel法制備了TiO<,2>:Eu薄膜并且研究了材料的結構和發(fā)光性能，獲得的薄膜有很強的紅光(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)光機理，隨著退火溫度的升高，Eu<'3+>離子的紅光發(fā)射強度先增大后減小，退火溫度為700℃時紅光最強。對比純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一步升高發(fā)光強度顯著增強，在此基礎上提出了能量轉(zhuǎn)移機制，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。 (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TiO<,2>納米纖維成功地進行了稀土(Er)摻雜，研究了TiO<,2>:Er納米纖維的表面形貌，晶體結構以及光致發(fā)光特性。獲得的材料有很強的位于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，在室溫下能用肉眼觀察到。制備的納米纖維在熒光材料領域有潛在的應用價值。 (4)用電紡絲法獲得了具有室溫鐵磁性的稀磁半導體(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構，沒有發(fā)現(xiàn)與Co有關的雜相，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VSM測量表明樣品呈現(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，說明TiO<,2>:Co納米纖維的鐵磁性與氧空位有關，經(jīng)過分析后認為：F中心交換(FCE)作用可能是產(chǎn)生材料鐵磁性的原因，Co<'2+>離子通過以被氧空位陷落的電子為媒

9、介進行鐵磁性耦合，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>氣流中長時間退火將N摻入TiO<,2>納米纖維中。對其表面形貌，結構以及紫外-可見吸收特性進行研究后發(fā)現(xiàn)N摻雜TiO<,2>納米纖維的光學帶隙(2.7eV)相對于純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光區(qū)。獲得的材料在光催化以及染料敏化太陽電池等領域具有潛在的應用價