TiO2基异质结纳米复合体系光-电特性实验研究

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1、博士学位论文TiO2基异质结纳米复合体系光-电特性实验研究EXPERIMENTALRESEARCHONNANO-COMPOSITESYSTEMBASEDONTiO2HETEROSTRUCTUREFORPHOTO-ELECTROPROPERTIES邵珠峰哈尔滨工业大学2015年03月国内图书分类号：O438学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开理学博士学位论文TiO2基异质结纳米复合体系光-电特性实验研究博士研究生：邵珠峰导师：刘树田教授副导师：王强教授申请学位：理学博士学科：光学所在单位：物理系答辩日期：2015年03月授予学位单位：哈尔滨工业大学Clas

2、sifiedIndex:O438SchoolCode:10213U.D.C:535SecrecyGrade:OpenDissertationfortheDoctoralDegreeinScienceEXPERIMENTALRESEARCHONNANO-COMPOSITESYSTEMBASEDONTiO2HETEROSTRUCTUREFORPHOTO-ELECTROPROPERTIESCandidate：ShaoZhufengSupervisor：Prof.LiuShutianViceSupervisorProf.WangqiangAcademicDegreeApplie

3、dfor：DoctorofScienceSpeciality：OpticsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：March,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要二氧化钛（TiO2）半导体功能材料，由于其低成本、无毒性、高表面活性和高稳定性等优点，被广泛应用于光催化、太阳能电池、电致变色效应器件，湿度传感器件、抗菌器件和自旋电子学器件等领域。但由于其禁带宽度为3.2eV，导致其仅能直接吸收小于388nm波长的太阳光，不能有效吸收

4、可见光，从而限制了TiO2在实际光催化和光电转换中的应用。TiO2基半导体异质结纳米复合体系结合了纳米材料和半导体异质结的优点，并广泛应用于许多领域。在环境污染治理等应用领域，TiO2异质结纳米复合体系得到广泛研究，这是因为它能够克服TiO2块体材料由于光生载流子的快速复合所导致的低量子效率这一不利因素；同时，不同禁带宽度半导体与TiO2的复合异质结，能够充分拓展TiO2半导体的太阳光谱可见光吸收范围。因此，TiO2基纳米异质结的研究在绿色能源制取、分解污水和环境保护以及光诱导杀菌等应用领域具有极大的潜在价值。本课题选择金纳米粒子修饰的TiO2纳米管阵列薄膜所构成的Au

5、/TiO2纳米异质结和多孔硅/TiO2纳米异质结，利用稳态和纳秒时间分辨瞬态荧光光谱技术，研究紫外光、可见光激发条件下，TiO2基复合异质结光生载流子分离与复合过程的竞争机制；同时分析了金纳米粒子和多孔硅对TiO2半导体光催化活性的影响及其机理。以上问题的研究和解决，对于理解光-电-化学过程中TiO2异质结纳米复合体系表（界）面电荷转移的动力学行为具有相当的意义，并且可以促进这一体系在光电、光伏和光化学等领域的诸多应用。首先，为了使金纳米粒子激发的表面等离激元共振效应与TiO2可见光吸收能级匹配，我们利用真空磁控溅射和高温退火方法，成功制备了粒径统一，分布离散均匀的金纳

6、米粒子；并通过调节溅射过程中金膜沉积时间，控制金纳米粒子的粒径大小，达到了在可见光谱范围内调节表面等离激元共振峰位置的目的。其次，通过阳极氧化方法制备得到有序排列的TiO2纳米管阵列薄膜（TNA）。通过磁控溅射和高温退火的方法，金纳米粒子薄膜被修饰到TiO2纳米管阵列薄膜的表面，形成Au/TiO2纳米异质结。采用266nm紫外光激发金纳米粒子修饰前后的TiO2纳米管薄膜样品，通过对比发现，金纳米粒子修饰过的TiO2纳米管薄膜的光催化活性得到显著增强，并通过稳态光致发光光谱得到证实。经过更进一步的研究，发现266nm紫外光激发纳秒时间分辨瞬态光致发-I-哈尔滨工业大学理学

7、博士学位论文光光谱的明显蓝移。根据上述实验现象，我们提出Au/TiO2纳米异质结光生载流子表面光催化和复合过程的电荷转移竞争关系；并通过紫外光照射Au/TiO2纳米异质结降解甲基橙溶液，验证上述理论解释的合理性。再次，通过稳态和纳秒时间分辨瞬态光致发光谱、X射线光电能谱和拉曼光谱，验证了Au/TiO2纳米异质结中氧空位缺陷态的存在。紫外-可见光（UV-vis）吸收谱表明Au/TiO2纳米异质结光吸收从紫外区域扩展到可见光区域。利用400nm光激发纳秒时间分辨瞬态光致发光光谱，可以清晰观测到不同金纳米粒子3+溅射时间修饰TiO2纳米管阵列薄