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磁控溅射法制备掺铈TiO_2薄膜及其光催化性能的研究

作　者: 王俊哲
导　师: 姚合宝
学　校: 西北大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 掺铈TiO2薄膜 磁控溅射 光催化活性 杂质能级 电子空穴有效分离
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 77次
引　用: 1次
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内容摘要


Ti02作为稳定的宽禁带半导体(乓=3.2eV)在许多领域有着重要的作用,尤其是它的光催化性能近几年成为研究的热门。但作为光催化剂,Ti02存在着其自身的不足,概括起来主要是：对可见光不吸收和光生电子-空穴复合率高。很多研究通过对Ti02掺杂来解决上述问题,有一些研究通过掺Ce来改善Ti02的光催化性能,但大部分是通过溶胶-凝胶法制备的。溶胶-凝胶法制备的Ti02薄膜由于与衬底具有较差的附着力,大大影响了Ti02的实际应用。基于此,我们采用磁控溅射法制备了掺Ce的Ti02薄膜,并对薄膜进行了表征分析,发现Ce掺杂扩展了氧化钛薄膜对可见光的吸收范围并且展示了更好的光催化活性。磁控溅射法的优点在于：膜层致密、均匀,与基底附着力好,而且已经实现了产业化。本文利用了磁控溅射法在石英薄膜上室温条件下生长了掺Ce二氧化钛纳米薄膜,并对薄膜的结构、性能、光催化性进行了研究。此外还研究了薄膜的一些参数对薄膜光催化性能的影响,并对N、Ce共掺Ti02做了一些探究。第一章首先介绍了Ti02和Ce02的结构、性质及用途,然后对掺Ce二氧化钛薄膜的研究进展做了介绍,并阐述了课题的研究内容。第二章主要介绍了实验设备及对薄膜的测试表征的仪器。我们利用磁控溅射法,采用自制靶材,在石英玻璃上生长不同掺杂比的掺Ce二氧化钛薄膜。并通过X射线衍射仪、紫外-可见分光光度计、X射线光电子能谱仪、荧光光谱仪等分析薄膜的结构、光学性能及光催化特性。第三章首先介绍了掺杂靶材的制作工艺,并在磁控溅射系统内完成了掺Ce氧化钛薄膜的制备。对薄膜XRD分析测试发现,薄膜的XRD谱是Ti02、Ce02和Ce203晶型结构的综合体现。不同掺Ce比的氧化钛薄膜的透过率测试结果显示,随着掺铈量的增大,薄膜逐渐出现红移,薄膜的禁带宽度由3.29eV减小到2.67eV,对可见光吸收增强。薄膜XPS分析表明,部分Ti4+被还原成了Ti3+,而大部分的Ce4+转化成了Ce3+。通过对薄膜的光致发光谱分析,我们发现掺杂后的薄膜没有显示出Ti02的特征发光峰,但光强度减弱。最后通过对不同掺Ce比Ti02薄膜光催化性能研究,我们发现掺Ce比为5%的掺杂薄膜显示出了较好的光催化能力。第四章研究了薄膜的制备参数,如膜厚、退火温度等对薄膜光吸收及其光催化性的影响。我们发现,影响Ti02薄膜光催化的参数不是单一的,是各个因素相互作用的综合体现。第五章总结了本文的工作。并对掺Ce二氧化钛薄膜的研究与应用进行了展望。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-24
  1.1 引言  9-10
  1.2 二氧化钛的晶体结构  10-12
  1.3 二氧化钛薄膜的应用  12-15
    1.3.1 氧敏传感器  12
    1.3.2 太阳能电池  12-13
    1.3.3 防雾及自清洁玻璃  13
    1.3.4 抗菌材料  13-14
    1.3.5 污水处理  14-15
  1.4 二氧化铈的晶体结构  15-17
  1.5 二氧化铈的应用  17-18
    1.5.1 抛光粉  17
    1.5.2 紫外屏蔽材料  17
    1.5.3 催化材料  17-18
    1.5.4 闪烁体  18
  1.6 掺铈氧化钛薄膜研究进展  18-19
  1.7 论文的研究内容  19-20
  第一章参考文献  20-24
第二章 薄膜的制备及表征  24-31
  2.1 薄膜制备方法介绍  24-27
    2.1.1 溶胶-凝胶法  24
    2.1.2 分子束外延  24-25
    2.1.3 化学气相沉积  25
    2.1.4 磁控溅射法  25-27
  2.2 磁控溅射镀膜设备简介  27-28
  2.3 薄膜的表征  28-30
    2.3.1 结构和组分分析  28-29
    2.3.2 薄膜光学性能的分析  29-30
  第二章参考文献  30-31
第三章 掺铈TiO_2薄膜的制备及光学性能的研究  31-51
  3.1 掺铈TiO_2薄膜的制备  31-33
    3.1.1 掺杂靶材的制备  31-33
    3.1.2 磁控溅射制备掺Ce氧化钛薄膜  33
  3.2 掺铈TiO_2薄膜的表征  33-44
    3.2.1 薄膜的XRD分析  33-35
    3.2.2 薄膜的透射谱及其禁带宽度  35-39
    3.2.3 薄膜的XPS分析  39-42
    3.2.4 薄膜的荧光光谱分析  42-44
  3.3 掺铈TiO_2薄膜光催化性能的研究  44-48
    3.3.1 薄膜的光催化性能测试  44-46
    3.3.2 掺Ce氧化钛薄膜的光催化机制的探讨  46-48
  3.4 本章总结  48-49
  第三章参考文献  49-51
第四章 薄膜制备参数对其光学性能及光催化的影响  51-58
  4.1 膜厚对薄膜光学性能的影响  51-52
  4.2 膜厚对薄膜光催化性能的影响  52-53
  4.3 退火对薄膜光催化性能的影响  53-54
  4.4 氮、铈共掺TiO_2薄膜光催化性能的探究  54-56
  4.5 本章总结  56
  第四章参考文献  56-58
第五章 结论及展望  58-60
  主要结论  58-59
   展望  59-60
攻读硕士学位期间发表的文章  60-61
致谢  61

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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