液结型纳米二氧化钛薄膜紫外探测器及其光电特性研究

论文摘要

纳米TiO2薄膜具有制备工艺简单、物理和化学性质稳定、表面积大、光电活性高等诸多优点,是制造低成本、高灵敏度紫外探测器的理想材料。本论文针对纳米TiO2薄膜对紫外光具有选择吸收性的特点,借助溶胶-凝胶法首次成功制成了液结型纳米TiO2薄膜紫外探测器。并结合理论分析对探测器光电特性进行了研究,主要工作包括:借助溶胶.凝胶法制备了TiO2纳米晶。热力学研究表明,不同晶相纳米TiO2的相对稳定性与晶粒粒径的大小有关。当粒径小于21nm时,光电活性更高的锐钛矿比金红石具有更高的稳定性。因此,要制备高光电活性的纳米TiO2薄膜电极,应保证薄膜中晶粒的尺寸小于21nm。此外,相变会使晶界能量升高,相邻晶粒差别增大,导致晶粒生长速度显著提高。采用溶胶-凝胶法,以ITO导电玻璃为基底,分别用擀压、旋转涂覆、浸渍-提拉法制备了TiO2薄膜电极。其中,只有浸渍.提拉法能够制得均匀透明,且牢固度高的薄膜。该薄膜由尺寸约50nm的类球形颗粒组成,颗粒一次粒径约15nm。薄膜对200-378nm的紫外光具有强吸收,而对波长大于378nm的可见光无吸收。320nm光照下电极光电流最大,且大小与电极电位成正比。通过研究焙烧温度和膜厚对电极光电活性的影响发现,450℃的焙烧温度下能够制得高光电活性的锐钛矿相薄膜电极。高于450℃时电极光电活性因TiO2粒子发生相变而逐渐降低。薄膜厚度的增大能够增强电极对紫外光的吸收,产生更多的光生载流子;但涂膜次数高于20次后,光生电子-空穴对复合几率增大,促使电极光电活性降低。通过对薄膜进行Zn2+掺杂制得了TiO2-Zn薄膜电极,其光电性能比本征薄膜电极提高40%,原因为掺杂的Zn2+在TiO2薄膜内引入的电子陷阱对光生电子-空穴对复合过程具有抑制作用。此外,首次发现0.1mol%的Zn2+掺杂使薄膜表面颗粒的生长方向具有了一定的择优取向,形成了垂直于膜面的柱形颗粒。对溶胶-凝胶法制得的纳米TiO2薄膜电极在碱性电解液中、不同偏置电位下的光电特性进行了研究。在羟基化的TiO2粒子表面形成了两种表面态,即晶格氧离子形成的深能级表面态OL-和化学吸附氧形成的浅能级表面态Ti-O（?）O（?）O-。由电极电位引起的TiO2费米能级(EFn)和表面态能级间相对位置的改变,能显著影响两种表面态对光生电子的捕获几率。以此建立的碱性电解液中光生载流子传输特性随电极电位变化的简易模型,为分析光生电荷载流子的复合及其在薄膜内的传输特性提供了方便。通过对多种不同电解质进行比较,选择pH=12.0的0.4 M C8H5KO4（NaOH调节pH值）溶液作为电解液,制得液结型光电化学电池紫外探测器。该探测器在0.6V正向偏置电位、功率密度为0.56 mW/cm2的320nm紫外光辐照下,最大光电流密度为44.85μA/cm2,光电流为暗电流的85倍。所产生的光电流大小稳定,在200s内无明显变化;且光电响应迅速,响应时间小于1秒,表现出优异的紫外光电性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 紫外探测器的分类及基本原理
• 1.2 紫外探测器的研究现状
• 2的结构和特性'>1.3 纳米TiO₂的结构和特性
• 2的结构'>1.3.1 纳米TiO₂的结构
• 2与紫外光电性能有关的物理和化学特性'>1.3.2 纳米TiO₂与紫外光电性能有关的物理和化学特性
• 2薄膜的溶胶.凝胶法制备'>1.4 纳米TiO₂薄膜的溶胶.凝胶法制备
• 1.4.1 溶胶-凝胶化学
• 1.4.2 薄膜沉积
• 1.4.3 焙烧的影响
• 2薄膜的研究进展'>1.4.4 溶胶-凝胶法制备纳米TiO₂薄膜的研究进展
• 1.5 光电化学理论
• 1.5.1 光电化学的研究历史
• 1.5.2 半导体能带模型
• 1.5.3 半导体/电解液界面的能量学
• 1.5.4 光电化学探测
• 1.5.5 纳米粒子的光电化学
• 1.6 本论文研究的意义及主要内容
• 2纳米晶焙烧过程相变原因研究'>第2章 TiO₂纳米晶焙烧过程相变原因研究
• 2.1 引言
• 2纳米晶的制备'>2.2 TiO₂纳米晶的制备
• 2.2.1 实验试剂及仪器设备
• 2.2.2 反应机理
• 2纳米晶的制备'>2.2.3 TiO₂纳米晶的制备
• 2.2.4 纳米晶表征仪器及方法
• 2.3 结果与讨论
• 2干凝胶热分解及相变情况'>2.3.1 TiO₂干凝胶热分解及相变情况
• 2.3.2 XRD分析
• 2相变原因研究'>2.3.3 纳米TiO₂相变原因研究
• 2晶粒生长原因分析'>2.3.4 纳米TiO₂晶粒生长原因分析
• 2.4 本章小结
• 2薄膜的制备及其紫外光电特性研究'>第3章 透明纳米TiO₂薄膜的制备及其紫外光电特性研究
• 3.1 引言
• 2薄膜电极的制备'>3.2 透明纳米TiO₂薄膜电极的制备
• 3.2.1 实验试剂及仪器设备
• 3.2.2 薄膜的制备
• 3.2.3 薄膜表征仪器及方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 薄膜物理性质分析
• 3.3.2 晶相及形貌分析
• 3.3.3 紫外吸收特性分析
• 3.3.4 紫外光电特性分析
• 3.4 本章小结
• 2薄膜紫外光电性能的影响'>第4章 焙烧温度和膜厚对纳米TiO₂薄膜紫外光电性能的影响
• 4.1 引言
• 2薄膜电极的制备'>4.2 透明纳米TiO₂薄膜电极的制备
• 4.2.1 实验试剂及仪器设备
• 4.2.2 溶胶的制备
• 4.2.3 薄膜的制备
• 4.2.4 薄膜的表征及光电性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 晶相及形貌分析
• 4.3.2 紫外吸收特性分析
• 4.3.3 紫外光电特性分析
• 4.4 本章小结
• 2:Zn薄膜电极紫外光电特性研究'>弟5章 纳米TiO₂:Zn薄膜电极紫外光电特性研究
• 5.1 引言
• 2薄膜电极的制备'>5.2 透明掺锌纳米TiO₂薄膜电极的制备
• 5.2.1 实验试剂及仪器设备
• 5.2.2 薄膜电极的制备
• 5.2.3 薄膜的表征及光电性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 薄膜的表征
• 5.3.2 薄膜吸收光谱分析
• 5.3.3 薄膜电极光电特性研究
• 5.4 本章小结
• 2薄膜表面态捕获光生电子过程的影响'>第6章 电极电位对纳米TiO₂薄膜表面态捕获光生电子过程的影响
• 6.1 引言
• 2薄膜电极的制备'>6.2 透明纳米TiO₂薄膜电极的制备
• 6.2.1 实验试剂及仪器设备
• 6.2.2 溶胶及薄膜的制备
• 6.2.3 薄膜的表征及光电性能测试
• 6.3 结果
• 6.4 讨论
• 2/电解液（TE）界面处的表面态分析'>6.4.1 TiO₂/电解液（TE）界面处的表面态分析
• 6.4.2 电极电位（U）影响光生载流子传输特性的理论研究
• 6.4.3 实验分析模型的建立
• 6.5 本章小结
• 2-Zn薄膜电极光电性能的影响'>第7章电 解液对纳米TiO₂-Zn薄膜电极光电性能的影响
• 7.1 引言
• 2薄膜电极的制备'>7.2 透明纳米TiO₂薄膜电极的制备
• 7.2.1 实验试剂及仪器设备
• 7.2.2 薄膜电极的制备
• 7.2.3 电解液的配制
• 7.2.4 薄膜电极的表征及光电性能测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 薄膜的表征
• 7.3.2 不同阴离子电解液中电极光电性能
• 7.3.3 不同阳离子电解液中电极光电性能
• 7.3.4 电解液浓度对电极光电性能的影响
• 7.3.5 电解液pH值对电极光电性能的影响
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论和展望
• 8.1 结论
• 8.2 本文的不足之处与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历