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金属氧化物及其复合体系的气相光电性能与表征

作　者: 邹志军
导　师: 谢长生
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料学
关键词: 金属氧化物复合体系光电器件气相光电性能组合材料学二氧化钛硫化镉氧化锌
分类号: O611.62
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

能源短缺与环境污染已经成为全球发展所面临的重大难题,因而,开发新能源与保护环境成为当前科学研究的热点。在太阳光的照射下,利用半导体进行光催化降解污染物,是一条既能利用新能源又能实现环境净化的重要途径。半导体光催化的基本原理是,半导体光催化剂吸收太阳能,产生具有氧化还原能力的电子空穴对,进而将有害污染物降解为无毒无害的CO2和H2O。半导体的光电响应过程是指半导体材料在一定光源的照射下,产生电子与空穴对,电子在外加电场的驱动下定向移动,进而在外电路中形成光电流的过程。因而,考虑到在实验室进行光催化实验耗时长、费用高等特点,也考虑到光催化过程涉及半导体内部载流子的产生与转移等基本过程,所以,研究半导体材料的光电响应过程,对于指导光催化材料的设计与探讨光催化反应的机理有重要的意义。因此,本文致力于研究金属氧化物及其复合体系的气相光电性能,进而探讨载流子的产生、分离、复合、捕获等基本过程。本文首先从金属氧化物复合体系出发,基于组合材料学的思想,设计了由66个成分点组成的Ti02/WO3/MnO2三元复合体系的材料库。并通过球磨和丝网印刷的方法并行制备了相应的66个光电器件。借助自行搭建的光电性能综合测试平台,我们高通量表征了所有器件的光电性能。结果表明,在66个成分点中,TiO2/WO3/MnO2摩尔比例为2：8：0的成分点,在白光、紫外、蓝光与绿光照射下均有最好的光电性能,这要归因于W03本身的特性与TiO2/WO3复合体系的能带匹配模式,错开型的能带匹配有效地促进了载流子的分离。靠近TiO2角没有明显光电响应的原因要归结于所施加的偏压0.2V过低,因为当偏压为10V时,TiO2表现出相对较为明显的光电响应。而靠近MnO2角没有明显光电响应的原因,可能是由于MnO2相在烧结过程中向Mn2O3相转变,当Mn2O3的量过多时,Mn2O3可能会加剧载流子的复合,从而导致载流子的复合率大大的增加,进而导致外电路中光电流不明显。鉴于TiO2在过低的偏压条件下没有明显的光电响应,因而,为了进一步研究TiO2及其复合体系的光电性能,我们引入了敏化剂CdS对TiO2进行敏化改性。我们首先制备了纯TiO2器件,并通过连续离子层吸附反应法制备了CdS/TiO2复合体系的器件。之后,我们研究了CdS/TiO2复合体系的气相光电性能,并与纯的Ti02进行了对比。结果表明,CdS/TiO2复合体系无论是在紫外还是在白光照射的条件下,均表现出更加优异的光电性能。在研究了由敏化剂CdS与金属氧化物Ti02组成的复合体系的气相光电性能的基础上,我们扩展了复合体系的形式,制备了CdS/ZnO复合体系,并测试了CdS/ZnO复合体系与纯ZnO分别在紫外与白光照射下的气相光电性能。结果表明,在白光照射的条件下,纯ZnO也有较为明显的光电响应；同时,特别的是,在仅仅施加0.01V的偏压时,CdS/ZnO复合体系就能展现出非常明显的光电流响应,且其光电流幅值相对于纯ZnO而言提高了153倍。由于很多文献报道,ZnO基材料的光电性能的获取都是在几十伏的偏压下进行的,因此,该研究结果对于节约能源和实际应用有着非常重要的意义。因为纯ZnO在白光照射下,也有光电响应,且断光后,光电流不能较快地恢复到基线水平,所以这说明了断光后,ZnO内部还残余了大量的电子；通过分析,我们知道这是由于ZnO内部存在缺陷所导致的。那么,为了研究残余电子对光电流曲线的影响,最后,我们还分别测试了ZnO在紫外与白光照射下的光电流循环曲线。结果表明,紫外条件下,断光后每个循环对应的光电流都能够恢复到基线附近,且每个循环的光电流幅值能基本保持一致；而在白光条件下,出现了截然不同的现象,随着循环次数的增加,光电流不仅不能恢复到基线附近,而且光电流幅值随着循环次数的增加,也逐步增加。为了说明测试结果的差异性,我们定义了三个与光电流有关的参数,这些参数很好的说明了光电流产生量、被捕获的光电流量以及残余光电流量之间的关系。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-33
  1.1 引言  11-12
  1.2 半导体光催化  12-15
  1.3 半导体的光电性能  15-25
  1.4 光电材料的设计与形貌表征  25-30
  1.5 本文的选题思路及主要工作内容  30-33
2 TiO_2/WO_3/MnO_2复合体系的制备与气相光电性能研究  33-46
  2.1 引言  33-34
  2.2 实验部分  34-39
  2.3 结果与讨论  39-44
  2.4 本章小结  44-46
3 CdS/TiO_2复合体系的制备、表征及其气相光电性能研究  46-61
  3.1 引言  46-47
  3.2 实验部分  47-51
  3.3 结果与讨论  51-60
  3.4 本章小结  60-61
4 CdS/ZnO复合体系的制备、表征及其气相光电性能研究  61-77
  4.1 引言  61-62
  4.2 实验部分  62-64
  4.3 结果与讨论  64-76
  4.4 本章小结  76-77
5 紫外和白光照射下ZnO纳米颗粒膜的气相光电性能研究  77-92
  5.1 引言  77-79
  5.2 实验部分  79-80
  5.3 结果及讨论  80-90
  5.4 本章小结  90-92
6 全文总结  92-96
  6.1 主要结论  92-94
  6.2 本文的创新之处  94
  6.3 相关工作展望  94-96
致谢  96-97
参考文献  97-116
附录1 攻读博士学位期间撰写与发表的论文  116-118
附录2 攻读博士学位期间申请与授权的专利  118

金属氧化物及其复合体系的气相光电性能与表征

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