铁电薄膜光阴极制备及其光电化学特性研究

摘要

利用半导体光电极、太阳能和水/电解液构成的光电化学电池来制氢及发电是一种清洁、环境友好的绿色能源产生方法。半导体与基底电极是欧姆接触的基础上，光电化学电池普遍利用的是电极与电解液接触形成的结上的内建电场（Ein）来分离光生电子空穴对，而主要利用光电极中半导体/电极接触实现能量收集和转换的研究比较少。光电化学电池的核心是半导体光电极，由于在光反应体系中要求光电极长时间稳定，因而稳定性好的金属氧化物成为必然的选择。大部分无机铁电材料是Ti基金属氧化物，如传统的Pb(Zr,Ti)O3(PZT)铁电材料，它们结构稳定、易掺杂调控改性、具有自发极化和很高的介电常数。由于是光生电子到达界面，阴极电流从某种程度上可以保护电极氧化，因此光阴极比光阳极更稳定。若能带结构合适，光阴极与电解液界面处在光生电子作用下可直接生成氢气，而光阳极的光生电子输运到对电极才生成氢气，因此生成氢气的效率应更高。据此，对光阴极的研究值得关注。贵金属纳米颗粒吸附在半导体表面所构成的复合体系因具有特殊的接触界面结构和电子迁移特性而一直受到人们的关注。本文中，我们主要研究了铁电薄膜PZT以及金属/PZT复合薄膜光电极的光电化学特性。
　　我们利用溶胶-凝胶法在ITO石英玻璃上制备了不同厚度的PZT薄膜。通过实验发现PZT/ITO光电极具有光阴极特性，光电化学反应中是PZT/ITO界面肖特基势垒对电荷分离起主要作用，而不是传统的电极/电解液接触形成的内建电场，我们提出了相应的模型。研究了PZT薄膜的厚度对其光电化学性质的影响，发现厚度为400nm的PZT薄膜具有最佳的光电流响应，因为该厚度与PZT薄膜耗尽层的理论厚度（390nm）相接近。实验中还发现从样品的背面（石英/ITO）光照测得的光电流要比从正面（薄膜/电解液）光照的光电流大，因为PZT/ITO界面肖特基势垒对电荷分离起主要作用。
　　我们采用中断脉冲电沉积法在PZT表面沉积Ag纳米颗粒。研究了沉积周期数对样品光电化学性质的影响，发现沉积周期为6次的Ag颗粒具有最合适的大小和密度，使Ag/PZT具有最佳的光电化学响应，100mW/cm2Xe灯照射下的短路光电流为110μA/cm2，开路电压为0.76V。比较了使用中断脉冲沉积和连续脉冲沉积Ag颗粒的Ag/PZT样品的光电流，发现中断脉冲沉积方法能更好的提高光电流响应。研究发现Ag纳米颗粒可以增强可见光吸收，并能形成有利于光电化学反应的能级排列。可以通过铁电薄膜的极化反转特性来调控PZT/ITO光阴极的光电流和开路电压。我们在光电化学反应中清楚地观察到H2和O2的生成。

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第一章 引 言

1.1 概 述

1.2 铁电材料

1.3 铁电材料的制备方法

1.4 铁电薄膜光电特性的研究现状

1.5 本文研究意义和内容

参考文献

第二章 样品的制备、结构及性能的表征

2.1 溶胶-凝胶法制备PZT薄膜

2.2 中断脉冲电沉积法制备Ag纳米颗粒

2.3 样品的结构表征

2.4 样品的光电化学性质表征

2.5 样品的铁电性能表征

2.6 气相色谱分析

参考文献

第三章 PZT薄膜光阴极及其光电化学性质

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章 Ag颗粒修饰的PZT薄膜光阴极及其光电化学性质

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 实验结果与分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总 结

攻读学位期间公开发表的论文

致谢