TiO2納米管上負載納米鐵的制備及其光電性能研究

　　金屬氧化物半導體作為一種重要的無(wú)機功能材料，在很多領(lǐng)域顯示出廣闊的應用前景。其中, 納米TiO2 因其具有濕敏、氣敏、介電效應、光電轉換、光致變色及優(yōu)越的光催化等性能, 同時(shí)價(jià)廉無(wú)毒、抗光腐蝕、催化活性高、氧化能力強、穩定性好而成為研究的熱點(diǎn), 使其在傳感器、介電材料、自潔材料和催化載體等領(lǐng)域具有顯著(zhù)的影響,在太陽(yáng)能電池、光催化污染物降解、水分解和生物體植入材料等高科技領(lǐng)域有著(zhù)重要的應用前景。

　　多年來(lái)，在納米二氧化鈦顆粒、納米二氧化鈦薄膜等方面已開(kāi)展了大量的研究工作，也取得了一些實(shí)際應用。近年來(lái)在該領(lǐng)域的一個(gè)新的進(jìn)展是制備出TiO2 納米管及納米管陣列。1999 年Kasuga 等以金紅石型TiO2 為前驅體，110℃高壓下合成銳鈦礦型TiO2 納米管，2001 年Grime 等人在HF 溶液中通過(guò)陽(yáng)極氧化法制備了均勻致密的TiO2 納米管。與其它形態(tài)的TiO2 相比，TiO2 納米管具有更大的比表面積和更高的吸附能力，在許多領(lǐng)域具有更廣泛的應用前景。但由于作為寬帶隙半導體（禁帶寬度為3.23 eV），單純的TiO2 材料僅在紫外光激發(fā)下才有明顯效果，而且光量子效率不超過(guò)10%，對太陽(yáng)光的利用效率極低，這極大地限制了各種TiO2 材料的產(chǎn)業(yè)化應用范圍。研究表明，對單純的TiO2 材料進(jìn)行改性，提高其光催化、轉化效率的有效途徑,一是摻雜過(guò)渡金屬，促使TiO2 的光吸收譜向可見(jiàn)光范圍拓展；二是在TiO2 材料表面沉積貴金屬顆粒（如Ag、Au、Pt 等）， 金屬的功函數高于TiO2，金屬顆粒附近的電子就會(huì )從TiO2 遷移到金屬顆粒，這時(shí)由于在金屬- 半導體接觸區域產(chǎn)生肖特基勢壘，勢壘的存在降低了光生電子空穴的復合率，也就提高了電子空穴的分離效率。

　　沉積金屬顆粒的方法很多，常見(jiàn)的有磁控濺射法和輻照合成法。輻照合成法作為制備納米材料的一種新方法，在上世紀90 年代迅速發(fā)展起來(lái)，其又可分為高能射線(xiàn)輻照法、紫外輻照法、微波輻照法和核紅外輻照法。其中電子束輻照法特別適合在水溶液中制備金屬納米團簇，具有常溫常壓操作、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，已被應用于TiO2 薄膜材料的改性，提高了TiO2 薄膜光催化降解甲基橙的效率。但利用這些方法在TiO2 納米管中沉積金屬顆粒、尤其是貴金屬以外的其它一些過(guò)渡金屬顆粒以提高其光電轉換能力方面的研究還很少。我們曾利用磁控濺射法制備了TiO2 納米管陣列負載貴金屬Au 顆粒結構，提高了TiO2 納米管在紫外光下的光電轉換能力。本文分別利用電子束輻照沉積和磁控濺射沉積兩種方法，在TiO2 納米管陣列上沉積過(guò)渡金屬Fe納米顆粒，研究比較不同制備方法得到的樣品在紫外光和可見(jiàn)光照射下的光電效應。

3、結論

　　研究表明，利用磁控濺射沉積和電子束輻照沉積兩種方式獲得的TiO2 納米管陣列負載過(guò)渡金屬Fe 顆粒結構可以不同程度地提高TiO2 納米管陣列在紫外光區域的光電響應能力，其中磁控濺射法的結果要好于電子束沉積方法，本論文所采用的實(shí)驗條件中其光電流值與純TiO2 納米管陣列相比最大可提高到其2.3 倍。但所有樣品在可見(jiàn)光下的光電流值都沒(méi)有明顯提高。SEM 觀(guān)察發(fā)現兩種方法得到的金屬Fe 顆粒在納米管陣列表面都出現一定的團聚生長(cháng)情況，電子束輻照沉積方式下更加明顯，Fe 顆粒團聚成膜，尺寸長(cháng)大并部分遮蓋TiO2 納米管。這可能是電子束輻照沉積樣品光電流值明顯小于磁控濺射沉積樣品的一個(gè)主要原因。

　　【作者】 梁宏； 廖斌； 吳先映； 李強； 王桂岳； 劉安東；

　　【Author】 LIANG Hong1,2,LIAO Bin1,2,WU Xian-ying1,2,LI Qiang1,2,WANG Gui-yue3,LIU an-dong1,2(1.The Key Laboratory of Beam Technology and Material Modification of Ministry of Education,College of Nuclear Science and Technology,Beijing Normal University,100875 Beijing,China;2.Beijing Radiation Center,100875,Beijing,China;3.Bite Vacuum Technology Co.,LTD.,Longkou City,Longkou 265702,China)

　　【機構】 北京師范大學(xué)射線(xiàn)束技術(shù)與材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗室北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院； 北京市輻射中心； 龍口市比特真空技術(shù)有限公司；

　　【摘要】 采用陽(yáng)極氧化法在鈦金屬表面制備出致密有序的TiO2納米管陣列,分別利用磁控濺射和電子束輻照沉積技術(shù)在其上沉積Fe納米顆粒以提高其光電性能。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀(guān)察兩種不同技術(shù)制備的TiO2納米管陣列負載納米Fe結構的表面形貌。研究比較了不同制備方法得到的樣品在紫外光和可見(jiàn)光照射下的光電效應。

　　【Abstract】 Dense and highly ordered Titania nanotube(TiNT) arrays were fabricated by electrochemical anodic oxidation.Then,the Fe nanoparticles were deposited on the surface of TiNT by both direct-current magnetic sputtering and electron beam irradiation processes separately to improve their opto-electronic performance.The surface morphology of the TiNTs prepared by the two different processes were characterized by SEM so as to investigate the photoelectric efficiency of the different samples comparatively under the irradiation of UV light and visible light.

　　【關(guān)鍵詞】 TiO2納米管； 磁控濺射； 電子束輻照沉積； 光電效應；

　　【Key words】 TiO2 nanotube； magnetic sputtering； electron beam irradiation； photoelectric efficiency；

　　【基金】 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2001AA338020)資助