缺陷结构对氧化锌氮掺杂过程的影响

摘要

基于半导体材料的光催化过程在利用太阳能获得清洁能源氢气和环境净化方面有着重要的应用,其核心任务之一是发展高效的具有可见光响应的光催化材料。直接带隙半导体氧化锌(ZnO)具有高的载流子迁移率,是颇具应用潜力的光催化材料,但其3.3 eV的带隙宽度使得ZnO只能吸收紫外光。为了扩展其可见光利用,非金属掺杂是最常用的手段之一。ZnO的氮掺杂一直受到人们的很大关注，主要是因为氮掺杂难度很大以及对其掺杂状态存在争论。本工作先通过回流方法制备出非晶态、多缺陷的ZnO，接着将其在空气下热处理从而获得晶态、少缺陷的ZnO。再对这两种不同晶态的ZnO进行氮掺杂，结果发现:多缺陷结构有利于氮的引入，而晶体完整的ZnO则无法实现氮掺杂。理论计算表明，在氮掺杂ZnO中氮取代氧的位置，在禁带中引入了局域能级，从而引起可见光吸收。通过光催化降解罗丹明B发现，相比于非晶态或晶态ZnO,氮掺杂ZnO展现出了更优异的可见光活性。