溶胶凝胶法制备有序介孔二氧化钛薄膜及性能研究

作     者：覃天庞 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘绍军

授予年度：2009年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：有序介孔二氧化钛薄膜 退火温度 退火气氛 缺陷 氧空位 

摘      要：有序介孔二氧化钛薄膜具有巨大的比表面积和有序的介孔结构,在染料敏化太阳能电池,光催化剂等领域有光明的应用前景,因此被广泛的研究。但是有序介孔二氧化钛薄膜在不同的温度和在不同的气氛下退火,特别是还原性气氛下退火对薄膜结构,以及薄膜中点缺陷对薄膜性能的影响却比较少而且不系统,而这些可能的结构和点缺陷浓度变化极有可能极大地影响薄膜的性能。本文采用TiCl和三嵌段共聚物F127分别作为前躯体和结构助进剂,用溶胶凝胶提拉膜方法合成出有序介孔二氧化钛薄膜。合成的薄膜分别在250℃,300℃,350℃,400℃,450℃下退火一个小时。合成的薄膜也分别在N,O,NH,H气氛下450℃退火一个小时。采用XRD,SEM和Raman光谱对在不同温度和气氛下退火的薄膜结构进行表征。用Photoluminescence光谱对在不同温度和气氛下退火薄膜的光致发光性能进行表征。 XRD,SEM和Raman表征结果表明,合成的薄膜具有序的介孔结构,介孔呈蠕虫状且垂直于薄膜表面。对于在不同温度下退火的薄膜,在300℃以下为非晶态。随着退火温度的提高,薄膜的结晶度不断提高,薄膜的晶粒不断长大,薄膜表面粗糙度变大。薄膜在450℃退火具有完整的锐钛矿结构。对于在不同气氛下退火的有序介孔二氧化钛薄膜,薄膜主要呈锐钛矿结构。且在NH3气氛下薄膜晶粒和表面粗糙度最大,N掺杂进入薄膜;在O气氛下薄膜呈相对较多的金红石相。Photoluminescence表征的结果,薄膜都出现带边发光和激子发光带。在不同温度下退火的薄膜,随着退火温度的提高,Photoluminescence的强度不断减小。这是因为薄膜在300℃下为非晶,具有大量的缺陷作为电子空穴的复合中心。随着退火温度的升高,薄膜结晶度不断提高,缺陷不断减少。但是在450℃,薄膜展现一个强的激子发光带,这很可能归于退火温度提高薄膜表面粗糙度的提高产生大量氧空位。在H气氛下退火的薄膜具有最大的带边发光和激子发光,这主要归因于薄膜在H气氛下退火具有大量的表面缺陷,特别是H是还原气氛使薄膜产生大量的氧空位。在O气氛下退火的薄膜具有最低的带边发光和机子发光,这主要由于在O气氛下退火的薄膜呈相对较多的金红石相。相对于在空气下退火的有序介孔二氧化钛薄膜,在不同气氛下退火的薄膜在带边发光区出现红移,对于NH和N气氛退火,主要归因于N掺杂。而H和O气氛是由于产生缺陷能级使能隙变小。这些因退火温度和退火气氛的结构和点缺陷浓度变化对薄膜光致发光性能的影响,对研究和合成高效的染料敏化二氧化钛太阳能电池和高催化活性的二氧化钛薄膜光催化剂都具有有益的参考价值。