过渡金属注入金红石单晶对其结构和光学性能的影响

摘要

二氧化钛已经得到广泛地研究，发现其具有广泛的应用，如太阳能电池、光催化、核废料存储、氧气敏器件、光解水产生氢和稀磁半导体以及由于它具有高介电常数和高折射率使它成为光学涂层和保护层极具希望的开发材料。二氧化钛作为优异的光催化材料具有安全、性能稳定、无毒副作用、成本低廉和无二次污染的特点，但是，二氧化钛的催化作用、光伏电池和光解水的应用中仅能利用太阳光中不足5％的紫外光。近年来，人们利用掺杂的方法提高二氧化钛对太阳光的利用率。
　　 本文采用离子注入法制备了钴(Co)、铜(Cu)离子掺杂的金红石二氧化钛(R-TiO2)样品。钻离子注入能量、注量为40keV(1×1016ions/cm2)、80keV(5×1015、1×1016、5×1016、1×1017ions/cm2)、120keV(1×1016ions/cm2)，铜离子注入能量注量为70keV(4.6×1016、5×1015ions/cm2)。通过X射线光电子能谱(XPS)、X射线粉末衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-VisDRS)等手段对掺杂前后样品的结构和光学性能进行了表征，分析了掺杂元素在金红石二氧化钛中的存在形式和对光吸收响应的影响。另外，用SRIM2008程序的子程序TRIM模拟了离子注入金红石二氧化钛。研究结果表明：
　　 1.XPS测试表明注入的Co以金属态存在TiO2中。XRD测试表明在注量为5×1015ions/cm2和1×1016ions/cm2时，在金红石TiO2中形成Co(413)纳米颗粒，而注入的Cu离子在金红石TiO2中形成CuO(022)晶相。
　　 2.Co、Cu金属离子掺杂后，紫外-可见漫反射吸收光谱的吸收边均有较小红移，提高了对可见光的响应；在紫外和可见光区域的吸收均增强了。随着注入剂量的增加吸收边红移程度越大、对紫外-可见光的吸收逐渐增强，分析认为这是因为在TiO2中出现了更多的Ti3+-V0缺陷。
　　 3.TRIM模拟了注入离子的分布。样品表面杂质浓度很小，能量相同时浓度峰值随着注量的增加而增加，而注量相同时，能量提高，离子的分布展宽，浓度峰值减小。
　　 4.TRIM模拟了TiO2中的损伤。在靶中产生了大量的空位、间隙和很少的取代缺陷。注量相同时，离子能量越大，每个离子造成的损伤越大；能量相同时，注量越大损伤越大。通过模拟和XRD分析可知，即使在1017ions/cm2的注量下，金红石仍然保持良好的晶体结构，说明金红石二氧化钛是相当抗辐照的材料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章过渡金属氧化物TiO2和光催化原理

2.1过渡金属氧化物，TiO2

2.1.1二氧化钛的晶体结构

2.1.2二氧化钛的能带

2.1.3二氧化钛的应用

2.2光催化原理

2.2.1半导体催化剂，TiO2

2.2.2二氧化钛光催化性能的改进

第三章实验

3.1离子注入

3.1.1离子注入装置

3.1.2载能离子的能量损失

3.1.3离子注入的射程分布

3.1.4离子注入的损伤

3.1.5离子注入特点

3.2表征方法及原理

3.2.1.X射线粉末衍射(XRD)分析

3.2.2紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)光谱分析

3.2.3 X射线光电子能谱(XPS)分析

第四章离子在固体中运动的计算机模拟

4.1计算机模拟及TRIM程序简介

4.2TRIM程序模拟

4.2.1离子射程和浓度

4.2.2损伤分布

4.2.3反冲原子能谱

第五章实验结果及分析

5.1 X射线光电子能谱(XPS)分析

5.2 X射线衍射(XRD)结构分析

5.3光吸收

第六章总结及下一步工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表文章

致谢