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本论文主要包括四个部分内容:1.综述部分:本论文研究课题的学术背景、发展现状、关键问题与课题研究的意义。2.样品制备部分:二氧化钛纳米管阵列的制备以及表征。3.性能增强部分:利用四种不同的射线束方法对二氧化钛纳米管阵列进行改性,检测样品在可见光或紫外光照射下光电响应能力的提高。4.理论分析部分:利用基于密度泛函理论的WIEN2K软件,计算和分析锐钛矿二氧化钛晶胞掺杂同一周期或同一主族元素(主要是过渡金属和贵金属)后能带和状态密度的变化,以及这些变化中蕴藏的一些规律。
利用电化学阳极氧化法制备了高度致密、有序的二氧化钛纳米管(TiNT)阵列,阵列中的纳米管长度在300—600 nm之间,内径在70—90 nm之间,壁厚为10 nm左右。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射光谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、漫反射光谱对二氧化钛纳米管阵列进行了表征。
利用四种不同的射线束技术-紫外光沉积、电子束辐照沉积、直流磁控溅射沉积和离子注入-对前述阵列进行改性。在紫外光激发试验中,与未处理样品(对照组)比较,处理后样品的光电响应能力均有不同程度的增强。其中银离子注入并经过高温退火处理的样品获得增益最大,光电流为0.7 mA,为对照组的3.2倍；其次为磁控溅射沉积铁金属纳米颗粒,光电流大小为0.5 mA,为对照组的2.3倍。利用紫外光沉积铁纳米颗粒的样品光电响应增益最低,光电流大小为0.387 mA,为对照组的1.8倍。在可见光激发实验中,经过紫外光沉积、电子束辐照沉积和磁控溅射沉积三种方法处理的样品光电响应能力都没有得到明显的提高,只有经过离子注入的样品获得了不同程度的增益,其中以离子注入银离子并经过高温退火的样品获得了0.367 mA的光电流值,为对照组(光电流0.002mA)的183倍。
利用线性缀加平面波(LAPW)方法研究了锐钛矿TiO2和掺杂过渡金属和贵金属后的TiO2/M晶胞的电子结构,发现在TiO2/M的带隙中产生了不同的杂质能隙,掺杂后体系的导带和价带的位置也有不同程度的移动,从而拓宽了样品对光吸收的范围,特别是提高了对低能光量子(可见光)的吸收能力。这个计算结果可以解释在可见光照射下,经过离子注入的二氧化钛纳米管阵列获得了光催化和光电响应能力的增强,与实验结果吻合良好。在掺杂同一周期的过渡金属中,随着掺杂元素原子序数的增加,导带和价带有向高能级方向漂移的趋势,而在同一主族元素的过渡金属掺杂中,随着掺杂元素原子序数的增加,导带和价带都有向低能级移动的趋势。