溶胶凝胶法制备钴掺杂二氧化钛型稀磁半导体及其性能研究

摘要

本文概述了稀磁半导体的研究进展,重点介绍了TiO<,2>基稀磁半导体的研究现状、磁有关的效应以及稀磁半导体中磁性起因的认识等.在大量文献调研的基础上,提出以溶胶凝胶法制备Co掺杂TiO<,2>体系的稀磁半导体及其磁性和磁场下光催化性能研究作为本论文的选题和主要研究内容. 本文通过溶胶凝胶法制备出了锐钛矿型Ti<,1-x>Co<,x>O<,2>稀磁半导体(DMS)粉末.在优化样品制备工艺的基础上,对Co掺杂TiO<,2>基稀磁半导体的晶体结构,微观形貌,室温磁性能及磁场下的光催化性能等进行了表征与研究.具体研究内容及结论如下: 首先对Co掺杂TiO<,2>样品的制备工艺进行了探索,结合结构分析和室温磁测量手段,找出了适于获得具有室温铁磁性的Co掺杂TiO<,2>样品的制备工艺.实验制备出了的锐钛矿相Ti<,1-x>Co<,x>O<,2>粉末,通过XRD检测未检测到杂质相;不同Co掺杂量的样品都有磁滞回区,呈现出了室温铁磁性,且样品在1.5T下的磁化强度随掺杂浓度的提高而提高. 通过紫外可见吸收光谱和荧光光谱研究了材料的半导体性能研究发现,掺杂及表面缺陷引起的缺陷能级使得不同掺杂浓度样品的吸收带边均发生红移,Co掺杂的样品与未掺杂的纯TiO<,2>样品相比发生蓝移,说明形成了磁有序结构. 研究发现0.1T的磁场对于光催化结果的影响随掺杂量的提高有起伏.外磁场使得材料内部的自旋能级劈裂,提高了光吸收效率,进而提高了光催化效率;另一方面随着Co掺杂量的增加,受超交换耦合作用被限制的载流子越来越多,两者的共同作用使得磁场对于光催化结果的影响随掺杂量的提高有起伏。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1 自旋电子学概述

2.2稀磁半导体概述

2.3 稀磁半导体中铁磁性的来源

2.3.1超交换模型[9]

2.3.2双交换模型

2.3.3 RKKY交换作用[9]

2.3.4 d-d交换作用

2.3.5 sp-d交换作用[21]

2.4 稀磁半导体的光学和输运性质

2.4.1稀磁半导体的能带结构变化

2.4.2巨负磁阻效应

2.4.3巨塞曼效应

2.4.4巨法拉第旋转效应

2.4.5霍尔效应

2.5 Ti1-xCoxO2稀磁半导体的研究现状

2.5.1 TiO2的晶体结构和基本性质

2.5.2 Ti1-xCoxO2稀磁半导体的制备方法概述

2.5.3 Ti1-xCoxO2稀磁半导体的铁磁性来源

2.5.4 Ti1-xCoxO2稀磁半导体的磁光性质研究

2.6 TiO2的光催化性能概述

2.6.1光催化氧化的基本原理

2.6.2 Co掺杂TiO2光催化材料的研究现状

2.7 本课题的研究意义和创新点

2.7.1.本课题中存在的问题和选题意义

2.7.2本课题的创新点和主要研究内容

第三章 实验方法

3.1 溶胶-凝胶法制备Ti1-xCoxO2粉末

3.1.1 Ti1-xCoxO2粉末样品的制备

3.1.2光催化实验

3.2样品的表征

3.2.1样品微结构的表征

3.2.2样品微观形貌的表征和微区成分分析

3.2.3样品室温磁性能表征

3.2.4样品光学性能表征

第四章 溶胶-凝胶工艺的探索及优化

4.1 A系列样品的性能及结果讨论

4.1.1 A系列样品的晶体结构

4.1.2 A系列样品的室温磁性能

4.2 B系列样品的结构表征和室温磁学性能

4.2.1 B系列样品的晶体结构

4.2.2 B系列样品的室温磁学性能

4.3 C系列样品的结构表征及室温磁性能

4.3.1 C系列样品的结构表征

4.3.2 C系列样品的室温磁学性能

4.4 工艺的选择和进一步的性能研究

4.5 本章小结

第五章 磁场对于Co掺杂TiO2型稀磁半导体光催化性能的影响

5.1光催化性能

5.2 Ti1-xCoxO2稀磁半导体样品光学性能的研究

5.2.1样品的紫外-可见吸收光谱

5.2.2样品的荧光光谱

5.2.3 Co掺杂B系列样品的禁带结构的影响

5.3 磁场对于样品光催化效果影响的原因探讨

5.4 本章小结

第六章 结论

6.1 结论

6.2 有待研究的问题

参考文献

致谢

附录：硕士期间科研成果