SiO2基底中TiO2纳米颗粒的合成及Cu纳米颗粒的辐照改性研究

摘要

纳米颗粒以其优异的电、磁、力和光催化等性能，在光电器件、生物传感器、太阳能电池等众多领域具有广阔的应用前景。近年来，合成和表征纳米颗粒的特性已成为纳米技术领域重要的研究方向。本论文利用离子注入，重离子辐照及热处理合成多种纳米颗粒并对其分布和结构进行改性，借助X射线衍射技术(GIXRD)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、卢瑟福背散射仪(RBS)和横截面试样的透射电子显微镜(TEM)详细研究了纳米颗粒的微观结构、空间分布和光吸收特性。主要研究内容及结果如下：
　　(1)能量为70 keV，剂量为1×1016/cm2的Zn离子和能量为45 keV，剂量分别为5×1016/cm2和1×1017/cm2的Ti离子顺次注入SiO2，后续在O2气氛中400-900 ℃退火。结果表明：增加Ti注入剂量有利于合成高质量的TiO2纳米颗粒；另外，Zn离子预注入可改变后续Ti原子的分布，改变基底介电环境，促进吸收谱红移；同时，弥散在TiO2周围的Zn会抑制TiO2纳米颗粒生长，使吸收带边蓝移，两者共同影响合成的TiO2纳米颗粒的光吸收特性。
　　(2)能量为30 keV，剂量为1×1017/cm2的Ti离子斜注入的SiO2基底，随后选择部分样品用能量为100 keV，剂量为1×1016/cm2的Xe离子辐照，以改变Ti纳米颗粒的空间分布，晶体结构以及光吸收特性。RBS结果表明：Xe离子辐照后，Ti的深度分布展宽，经700 ℃退火形成纯净的金红石相TiO2，吸收边红移，800℃时基底中可能产生TiSiO4晶体，这时样品的吸收边是金红石相TiO2和TiSiO4晶体吸收边叠加的结果。
　　(3)能量为45 keV，剂量为1×1017/cm2的Cu离子注入的SiO2样品，随后用能量为500keV的Ar和Xe离子辐照，其中Ar离子的剂量为1×1016/cm2，Xe离子的剂量为1×1015-2×1016/cm2，以改善Cu纳米颗粒的尺寸和空间分布以及样品的光吸收特性。TEM结果表明：剂量为2×1016/cm2的Xe离子辐照后，Cu纳米颗粒均匀分布在同一深度，且该深度大于Cu离子的投影射程，Cu纳米颗粒的平均直径由7.3 nm增加到8.5 nm，使得退火后吸收整体下降；1×1015/cm2的Xe离子辐照退火后吸收整体增加；在相同能量和剂量下，Xe离子辐照比Ar离子辐照具有更好的改性效果。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 TiO2的晶体结构及光学特性

1.3 金属纳米颗粒的表面等离子共振

1.4 纳米颗粒的制备方法

1.5 本论文的主要工作

第二章 样品的制备与表征

2.1 离子注制备纳米材料技术简介

2.2 离子注入法制备纳米颗粒

2.3纳米颗粒的表征及基本原理

第三章 Zn离子预注入对合成TiO2纳米颗粒的光学性质的影响

3.1 RBS测试结果及分析

3.2 GIXRD测试结果及分析

3.3 UV-Vis测试结果与分析

3.4 本章小结

第四章Xe离子辐照对合成TiO2光学性质的影响

4.1 RBS测试结果及分析

4.2 GIXRD测试结果及分析

4.3 UV-Vis测试结果及分析

4.4 本章小结

第五章 Xe和Ar离子辐照对Cu离子注入的SiO2结构及光吸收特性的影响

5.1 GIXRD测试结构及分析

5.2 XTEM测试结果及分析

5.3 UV-Vis测试结果及分析

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢