正电子湮没技术对功能材料电学性能与光催化影响的研究

摘要

在功能材料中，材料的微观结构是决定其功能属性和功能参数的内在因素，而功能材料的加工制备、工艺参数直接决定材料的微观结构。正电子湮没谱学是一门用于研究材料微观结构缺陷的先进无损探测技术，在固体物理、材料科学、表面界面体系以及生物和医学等研究领域得到了广泛的应用。它基于探测正负电子湮没后γ光子的时间信息、能量信息、动量信息来分析材料中的结构变化及其缺陷判别，给出材料微观结构的电子密度信息、电子动量分布以及缺陷状态分布等物质结构信息。正电子湮没谱学方法主要包括正电子寿命谱，多普勒展宽谱，慢正电子束技术等实验方法。本论文主要利用正电子湮没技术的多种实验手段，并结合常规的测试手段，研究了几种功能材料的微观结构缺陷变化机制，并讨论微观结构缺陷对功能材料的宏观功能性能的物理影响机制。
　　 本博士论文工作主要取得的研究成果如下:
　　 1)利用正电子寿命谱仪及符合多普勒展宽谱仪研究了新型的非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的烧结过程，结合XRD、SEM结构测量和介电性能、压电性能的实验测量，探索宏观电学参数和结构缺陷之间的关系，为解释普通烧结制备的非铁电压电陶瓷压电性的起源提供了有力证据。
　　 实验结果表明:ST-BT复合陶瓷烧结温度在920-940℃，烧结时间在3-5小时，ST-BT复合陶瓷的结构特性表现出较好的稳定性;在960℃烧结温度下或较长的烧结时间下，单空位型缺陷将缔合形成双空位型复合缺陷，而这些复合缺陷正是贡献高介电常数和平稳的介电频率特性的根源;具有高浓度单空位缺陷的ST-BT陶瓷样品包含大量的晶格缺陷导致晶格失配，基于挠曲电效应，这将导致材料压电效应的增强。这为挠曲电效应解释非铁电压电性提供了有力的证据。
　　 2)用慢正电子束流测试手段研究了不同Fe掺杂的二氧化钛薄膜的缺陷变化机理及其对光催化活性的影响，为提高二氧化钛薄膜光催化效率提供理论依据。
　　 利用慢正电子束对不同掺杂浓度的Fe-TiO2薄膜多普勒展宽测量，结果表明多普勒展宽S参数的变化反映的材料内部的微观结构缺陷的变化与Fe-TiO2薄膜的光催化活性相符。 S-W关联图揭示了Fe掺杂二氧化钛的缺陷机制，表明Fe-TiO2薄膜中的体缺陷和表面缺陷均对光催化起着很重要的作用。
　　 3)利用脉冲慢正电子束寿命测量技术和慢正电子束多普勒展宽谱测量技术对三种铜铟锡(CuInSe2)太阳能电池薄膜进行了研究，发现了不同气氛下退火的铜铟锡太阳能电池薄膜的缺陷变化规律，首次引进了铜铟锡太阳能电池薄膜的缺陷层概念，实验结果表明，铜铟锡太阳能电池薄膜表面存在约50nm厚的高浓度缺陷层，在Se气氛下退火可以降低缺陷层中的缺陷浓度。这些讨论为改善铜铟锡太阳能电池光吸收效率提供理论依据。
　　 4)利用正电子湮没技术研究了不同烧结过程的钛酸钡多晶陶瓷的内部缺陷变化特征，发现正电子在钛酸钡陶瓷中的平均寿命和陶瓷样品的介电特性相匹配，这表明空间电荷限制流对介电特性产生影响;然后根据不同的Sn掺杂浓度制备了一组BTSx陶瓷样品，开展了XRD结构分析、正电子寿命谱实验、正电子符合多普勒展宽谱实验和介电性能测量实验研究，表明具有较高缺陷浓度的BTSx陶瓷具有较低的介电常数。
　　 这些结果表明正电子湮没谱学技术是研究材料微结构缺陷的一种灵敏的技术，结合材料的宏观电、磁和光等性能测量，可以阐明宏观性能改变的微观机制，为制备性能优越的新型功能材料提供重要的信息。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 正电子的发现和正电子湮没技术发展史

1．2 正电子湮没谱学实验原理

1．2．1 正电子源

1．2．2 正电子的热化和注入深度分布

1．2．3 正电子在固体中的湮没过程

1．2．4 正电子捕获模型

1．2．5 常用的正电子湮没表征参数

1．3 正电子湮没探测技术

1．3．1 正电子湮没寿命谱测量技术

1．3．2 正电子多普勒展宽谱测量技术

1．3．3 慢正电子束测量技术

1．3．4 脉冲慢正电子束寿命谱

1．4 正电子谱学方法在功能材料微观结构研究中的应用

1．4．1 微观结构缺陷对功能材料性能的影响

1．4．2 正电子湮没技术对功能材料中缺陷的表征

1．5 本论文工作简介与创新点

1．5．1 本论文研究工作的意义及主要内容

1．5．2 本论文的创新之处和特色

参考文献

第2章 非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的正电子湮没谱学研究

2．1 非铁电压电复合陶瓷功能材料概述

2．1．1 非铁电压电功能材料的研究现状

2．1．2 非铁电压电复合陶瓷功能材料的研究现状及应用前景

2．1．3 非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的研究现状

2．2 非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的制备

2．3 非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的结构分析

2．4 非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的正电子寿命测量

2．4．1 不同烧结温度ST-BT陶瓷样品寿命谱分析

2．4．2 不同烧结时间ST-BT陶瓷样品寿命谱分析

2．5 非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的符合多普勒展宽测量

2．5．1 不同烧结温度ST-BT陶瓷样品符合多普勒展宽测量

2．5．2 不同烧结时间ST-BT陶瓷样品符合多普勒展宽测量

2．6 非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的介电性能

2．6．1 不同烧结温度ST-BT陶瓷样品的介电性能分析

2．6．2 不同烧结时间ST-BT陶瓷样品的介电性能分析

2．7 非铁电压电复合陶瓷SrTiO3-Bi12TiO20的压电性能

2．7．1 不同烧结温度ST-BT陶瓷样品的压电性能分析

2．7．2 不同烧结时间ST-BT陶瓷样品的压电性能分析

2．8 本章小结

参考文献

第3章 Fe掺杂光催化二氧化钛功能材料缺陷机理的正电子研究

3．1 半导体光催化二氧化钛功能材料概述

3．1．1 半导体光催化二氧化钛的发展及其光催化原理

3．1．2 光催化二氧化钛过渡金属掺杂改性的研究进展

3．1．3 光催化二氧化钛的晶格结构及正电子研究进展

3．2 Fe掺杂二氧化钛薄膜的制备

3．3 Fe掺杂二氧化钛薄膜的结构表征

3．4 Fe掺杂二氧化钛薄膜的紫外可见波段吸收光谱实验

3．5 Fe掺杂二氧化钛薄膜的光催化降解实验

3．6 Fe掺杂光催化二氯化钛薄膜的慢正电子束研究

3．7 Fe-TiO2薄膜的微观结构缺陷对和光催化活性的影响

3．8 本章小结

参考文献

第4章 正电子对铜铟锡太阳能电池薄膜的缺陷研究

4．1 铜铟锡太阳能电池薄膜功能材料概述

4．1．1 铜铟锡太阳能电池薄膜功能材料的发展背景

4．1．2 铜铟锡太阳能电池薄膜的结构性质及性能

4．1．3 铜铟锡太阳能电池薄膜的正电子研究进展

4．2 铜铟锡太阳能电池薄膜的典型结构和制备

4．3 铜铟锡太阳能电池薄膜的脉冲慢正电子束寿命测量

4．4 铜铟锡太阳能电池薄膜的慢正电子束分析

4．5 本章小结

参考文献

第5章 钛酸钡陶瓷的正电子湮没谱学研究

5．1 钛酸钡陶瓷介电材料概述

5．1．1 钛酸钡陶瓷的晶体结构

5．1．2 钛酸钡陶瓷的制备方法

5．1．3 掺杂钛酸钡陶瓷的研究进展

5．1．4 碳酸钡陶瓷的正电子研究进展

5．2 不同烧结过程钛酸钡陶瓷的微观缺陷和宏观介电性能

5．2．1 不同烧结过程下钛酸钡陶瓷的制备

5．2．2 不同烧结过程钛酸钡陶瓷的XRD分析

5．2．3 不同烧结过程钛酸钡陶瓷的正电子湮没寿命谱测量及分析

5．2．4 不同烧结过程钛酸钡陶瓷的介电性能测量及分析

5．3 Sn掺杂钛酸钡陶瓷的微观缺陷和宏观介电性能

5．3．1 Sn掺杂钛酸钡陶瓷的制备

5．3．2 Sn掺杂钛酸钡陶瓷的XRD分析

5．3．3 Sn掺杂钛酸钡陶瓷的正电子湮没寿命谱测量及分析

5．3．4 Sn掺杂钛酸钡陶瓷的符合多普勒展宽谱实验

5．3．5 Sn掺杂钛酸钡陶瓷的介电性能测量及分析

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结语

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果