Al掺杂对TiO_2薄膜结构及光学性能的影响_王玉新.pdf

第 卷第期 年月辽宁师范大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：辽宁省教育厅科学技术研究项目（）作者简介：王玉新（），女，辽宁辽阳人，辽宁师范大学副教授，博士 ：文章编号：（）：掺杂对 薄膜结构及光学性能的影响王玉新，赵莉，王，王泽文，蔺冬雪（辽宁师范大学 物理与电子技术学院，辽宁 大连 ）摘要：通过溶胶凝胶法制备了本征 和 掺杂的 薄膜样品 采用 射线衍射仪（）、扫描电子显微镜（）、紫外可见分光光度计（）、薄膜测厚仪对制备的薄膜样品的性能进行了分析 分析表明：与本征 薄膜相比，的掺杂使（）晶面对应的衍射峰发生了一定角度的偏移，的基本结构没有发生改变，晶粒尺寸缩小，晶面结构得到细化，扩大了薄膜的比表面积 随着 掺杂量的增加，薄膜样品的光吸收度发生不同程度的改变，光学带隙值与本征 薄膜相比有所减小当 掺杂量为 时，所得薄膜样品结晶质量良好，晶粒分布均匀，吸光度表现最佳，带隙值最小为 关键词：薄膜；溶胶凝胶法；掺杂；光学性能；晶体结构中图分类号：文献标识码：在光学材料的生产与开发领域中，薄膜材料一直占据着重要的地位，尤其是半导体透明导电薄膜材料，由于其具有宽带隙、可见光利用率高和较低电阻率等优点被广泛地开发和应用如今随着科技的飞速发展，现有的半导体材料越来越不能满足人们进一步的需求，开发性能更加先进、成本更加低廉并且储量丰富的材料迫在眉睫其中 薄膜由于其较高的氧化能力、稳定的物理性质、良好的光催化活性等优异性能以及价格低廉等特点，被应用于净化污水、太阳电池和降解有机化合物等众多领域的研究与开发利用 属于宽禁带半导体材料，且折射率较好 由于其能带结构的原因，对紫外光的利用率较高而对可见光利用率较低 紫外光只占太阳光很少的一部分，而可见光占比较大，为了提高 薄膜对整个太阳光的利用率，需要对 薄膜进行相应的改性处理 可通过单元素掺杂、多元素共掺杂 以及复合 等方式对 性能进行改善 等 运用溶胶凝胶法制备了 掺杂 薄膜，掺杂浓度为 时光降解效率较高，相较于其他样品光吸收能力更强，带隙值最小，光催化性能最佳 朱晓东等 对不同浓度 掺杂的混晶 纳米材料的结构及光催化性能进行了研究，当 摩尔比适当时，所得样品的禁带宽度有所降低、光催化性能得到提高 由此可见通过掺杂可以有效地改善 薄膜的性能为了提高 利用可见光的能力，改善本征 存在的结构缺陷 选择自然界储量较为丰富的 作为掺杂元素，结合溶胶凝胶技术，分别在玻璃衬底、硅衬底上，制备了本征 薄膜和 薄膜，并对其结构和光学性能进行表征分析，以获得最佳工艺参数 辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷实验实验过程采用溶胶凝胶法，以钛酸丁酯（）作为钛源，硝酸铝（）作为铝源以及适当的催化剂和改性剂配置得到混合溶液，室温下搅拌得到 溶胶，装入清洗、干燥好的玻璃容器中，在室温下避光静置 得到 凝胶 接下来，通过匀胶机进行涂膜，将静置陈化完成的凝胶，用滴管均匀滴涂在衬底上使其被溶液覆满，启动匀胶机进行旋转涂覆，先以 旋涂，再以 继续旋涂 将涂好的样品放置于烤胶机上，进行预退火处理 重复上述旋涂和预退火步骤次后，将样品放置到管式电阻炉中，温度调节为 大退火，得到本征 薄膜样品，标记为 掺杂的样品制备过程与本征 薄膜制备基本相同，只需要在配置溶液时在溶液中加入适量的硝酸铝（）作为铝源，掺杂量分别为 、，将掺杂后所得的样品分别标记为（）、（）、（）、（）表征手段 检测，通过 射线照射晶体发生散射和衍射现象，进而对薄膜结构进行有效的探测 扫描，利用电子束在电子透镜聚焦及加速电压的共同作用下，对样品的表面形貌依次扫描薄膜测厚仪，采用白光干涉的方法，通过改变入射波长，收集膜厚信息利用 对样品的光学性能进行分析 通过以上表征手段对薄膜进行了详细的研究和分析结果与讨论图本征及 掺杂的 薄膜的 图谱 结构分析通过 测量分析样品的结构，如图所示，本征 （）和掺杂量分别为 、的 掺杂 薄膜样品（、）的 图谱衍射峰位置与标准卡（）相匹配，的掺入并没有改变 的晶体结构，所有样品都沿（）晶面择优生长变现为锐钛矿型结构，随着 掺杂量的增加薄膜样品（、）的（）衍射峰逐渐增强第期王玉新等：掺杂对 薄膜结构及光学性能的影响 当 的掺杂量大于 时（、）的（）衍射峰强度减弱，可能是过量的 阻碍晶格中原子的迁移，导致薄膜的结晶质量降低 在 掺杂的样品中，当掺杂量为 时（）衍射峰最尖锐结晶质量最佳图本征及 掺杂的 薄膜的 图和晶粒尺寸折线图 表面形貌分析利用 分析了薄膜的表面形貌，如图所示 其中，图（）图（）分别为 掺杂的薄膜样品 的 图，图（）为本征 薄膜样品的 图，图（）为薄膜样品的平均晶粒尺寸折线图 由图可知少量的 掺入（样品）时薄膜表面有较多的孔隙，当过多的 掺杂量（样品、）薄膜表面出现了团簇和粘连现象，对比而言当 掺入量为 时薄膜的表面孔隙和粘连现象较少，说明此时结晶质量最佳，与 分析的结果一致与本征的样品相比发现，的掺入使薄膜的晶粒尺寸发生了改变，晶粒尺寸减小，可能是因为 的半径（）略低于 的半径 辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷（），以替位的形式进入晶格内部替代了 的位置 因此薄膜整体的比表面积增大，由于光催化反应发生在样品表面 ，所以比表面积增大有利于反应的发生，因此薄膜的光催化活性得到提高光学性能分析如图所示，为 测量得到的本征（）与不同掺杂量的 薄膜（）在 范围的吸收光谱 所有样品在紫外范围的光吸收性能表现都很好，的掺入影响了可见光范围的吸光能力 当 掺杂量过多时，引入更多的缺陷，造成产生粘连现象，从而导致吸光度降低 掺杂量为 的（）样品吸收带边向长波长方向偏移，且吸光度明显提高，说明适量的 掺入提高了 薄膜对太阳光的利用率图 薄膜样品吸光度图谱 图 薄膜样品（）关系图 （）利用 薄膜测厚仪，通过多位点测量并取平均值的方法测出各薄膜样品的平均膜厚、的膜厚分别为 、可以看出 的掺杂对于薄膜的厚度有一定的影响，可能是溶胶的黏稠度的变化以及掺杂改变了溶胶的密度造成的根据 和薄膜测厚仪所测数据计算出薄膜的吸收系数，并利用（）的函数作出关系图，如图所示、第期王玉新等：掺杂对 薄膜结构及光学性能的影响、的带隙值分别为 、除了 样品外其他 掺杂的样品（、）的带隙值都比本征的（）薄膜样品的有所减小 由于 的掺入在原本的导带底端与价带顶端之间引入了新的能级从而减小了能带宽度 当 掺杂量为 时的带隙值最小为 ，此时的薄膜的光吸收效果最佳，结合对吸收范围的分析可知此时的薄膜样品的光学性能最优结论采用溶胶凝胶旋转涂覆的方法成功制备了 本征薄膜样品的和 掺杂量分别为 、的 薄膜样品，并运用不同的表征手段对其性能进行了分析通过对结构的分析证明制备的所有样品均为 的锐钛矿相结构，并且没有其他杂质峰出现，结晶质量良好由 分析可知，掺入后薄膜的晶粒尺寸有所减小，比表面积得到提高，为提高光催化性能提供了可能光学性能方面由于 的掺入，薄膜吸收带边发生红移，光学带隙值有所减小，薄膜对太阳光的利用率得到改善，优化了薄膜的光学性能 通过综合分析，当 掺杂量为 时 薄膜相较于其他样品（）衍射峰最为尖锐、结晶质量较好、表面缺陷较少、对太阳光的利用效果最佳、光学带隙值最低、光学性能最优参考文献：，（）：，：，（）：，：朱琳，孔祥权，任百祥 响应面法优化 改性 磁性光催化剂的制备及其光降解甲基橙 化工新型材料，（）：，：单麟婷基于溶胶凝胶法制备 薄膜光电特性研究沈阳：东北大学，（）：王玉新，蔺冬雪，王磊 共掺杂 薄膜的制备及其光学性能物理实验，（）：任轶轩纳米 复合材料制备及其光催化性能研究太原：太原理工大学，陈其凤，姜东，徐耀，等 溶胶凝胶水热法制备 及其可见光催化性能 物理化学学报，（）：王玉新，王磊，刘佳慧，等 掺杂量对 共掺杂 薄膜光电性能的影响辽宁师范大学学报（自然科学版），（）：王玉新，宋欣，蔺冬雪，等 复合薄膜的制备及其光学性能的研究辽宁师范大学学报（自然科学版），（）：王立坤，郁建元，王丽，等掺杂对二氧化锡薄膜光电性能的影响硅酸盐学报，（）：，（）：朱晓东，王娟，喻强，等 掺杂混晶 的制备及光催化性能研究 化工新型材料，（）：王磊 溶胶凝胶旋涂法制备 共掺 薄膜及其光学性能研究 大连：辽宁师范大学，：辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷 ，：赖彭亮，朱燕舞，王均胜，等 氮掺杂 的制备及其在不同光源下的光催化性能 材料科学与工程学报，（）：，（，）：，（），（），（），（），：；