n掺杂及pdo纳米颗粒对tio-%2c2-薄膜光学性能影响

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1、太原理l，人学硕十研究生学何论文N掺杂及PdO纳米颗粒对Ti02薄膜光学性能的影响摘要Ti02具有催化性高、稳定性好、无毒等优越的性能且价格低廉，因而得到了广泛应用。利用纳米Ti02光催化进行污染物处理，是一项颇有发展前途的催化处理技术。本文制备了纳米Ti02薄膜和掺杂Ti02薄膜，分析了薄膜的成分、组织结构和光学性能，并通过模拟计算探讨了掺氮对Ti02电子能带结构的影响及光吸收性能提高的机理。采用电子束加热蒸发离子束辅助沉积的方法制备了四种薄膜：Ti02薄膜、低掺氮Ti02薄膜、高掺氮Ti02薄膜、掺氮及PdO的Ti02薄

2、膜。本实验通过控制基片座的温度，得到了所需的锐钛矿型的Ti02薄膜；通过控制N2的分压，能够很好地控制Ti02薄膜中的氮含量；用薄膜厚度检测器控制薄膜厚度均为45nm左右。采用X．射线光电子能谱仪(XPS)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)分析表征了薄膜的成分及结构。选区电子衍射(SAED)及高分辨电子显微分析(HRTEM)表明，未掺氮薄膜为锐钛矿型Ti02，晶粒尺寸约20-30am；相比之下，掺氮薄膜的晶粒尺寸更小，约10-20nm。掺氮量较低(小于1．7at．％)时，薄膜仍由单一锐钛矿型

3、Ti02物相构成；掺氮量较高时，在本实验条件下，薄膜中将出现TiN颗粒。利用高角度环形暗场成像(HAADF)技术结合x．射线能谱仪(EDS)分析表明PdO掺杂薄膜由粒径为10-20nm锐钛矿型Ti02基体及分布于其中的粒径约2-3rim的PdO组I太原理1：人学硕十研究生学位论文成。紫外．可见光分光光谱(UV-VisbleSpectrum)测试表明，氮掺杂使Ti02薄膜的光吸收区域从紫外光区(<400nm)扩展到～550nm。用氮及PdO同时掺杂的薄膜，显示出异常高的可见光吸收性能，且光吸收范围几乎覆盖整个可见光范围。利用可

4、视化的MS(MaterialStudio)软件包对锐钛矿型Ti02及掺氮币02进行第一性原理计算，探讨了掺氮量对Ti02的光吸收性能的影响及其作用机理。能带结构和态密度计算结果验证了氮掺杂减小价带和导带之间的能隙，导致Ti02在可见光范围光吸收性能提高的事实。在此基础上，本论文计算发现掺氮量存在一个临界值，在低于这一临界值时，能隙的减小主要来源于N2p，当高于这一临界值时，能隙的减小不仅只来源于N2p，并且O能级的提高也对能隙的减小有贡献。光学吸收性能模拟结果表明掺氮能够提高Ti02对可见光的吸收性能，且掺氮量对其有很大影响

5、，尤其是高掺氮时会使Ti02在可见光范围内的吸收性能明显改善。关键词：Ti02薄膜，显微结构表征，光吸收性能，第一性原理计算II太原理I：人学硕十研究生学何论文THEEFFECTOFN—DOPINGANDNANO—Pd0ONTHEOPTICALPROPERTIESOFTi02THINFILMSABSTRACTTitaniumdioxidehasbeenextensivelyappliedinthefieldofphotocatalyst，duetoitsefficientphotoactivity,highchemicals

6、tability,saftytohumanbeings，nontoxicityandlowcost．NanosizedTi02isanewpromisingcandidateinpotocatalyzertodegradingenviromentalcontamination．Inthispaper,nanosizedTi02andthatwithNandPdOdopedthinfilmswereprepared．Thecomponent，microstructure，andopticalabsorptionproperti

7、esofthesethin—filmswereanalysedbyXPS(X—rayphotoelectronspectroscopy)，TEM(TransmissionElectronMicroscope)andUV-visblespectrum．Furthermore，theelectronenergybandsstructureandtheopticalabsorptionweresimulatedbythefirstprinciplecalculation，andthevisblelightabsorptionmec

8、hanismwasdiscussedforheavynitrogen-dopedTi02Then02thin-films．about45nlllthick,werepreparedbyion—beam—assisteddepositontechnology,includingTi02thi