TiO2半導(dǎo)體納米材料

1、材料學第二課堂課程論文題目：TiO2半導(dǎo)體納米材料姓名：學號：課程設(shè)計的目的1課程設(shè)計題目描述和要求1課程設(shè)計報告內(nèi)容1TiO2 半導(dǎo)體納米材料的特性1TiO2 半導(dǎo)體納米材料的制備方法3TiO2 半導(dǎo)體納米材料的表征手段3TiO2 半導(dǎo)體納米材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢44.結(jié)論5課程設(shè)計的目的本課程論文的主要目的是論述TiO2半導(dǎo)體納米材料，通過簡要概述TiO2半 導(dǎo)體納米材料的特性、制備方法、表征手段及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢等相關(guān)方面的內(nèi)容。 通過這次課設(shè)，了解TiO2半導(dǎo)體納米材料，鞏固課堂上所學的有關(guān)納米材 料的有關(guān)知識，提高自己應(yīng)用所學知識和技能解決實際問題的能力。 2課程設(shè)計的題目描述及要求課程

2、設(shè)計的題目：TiO2半導(dǎo)體納米材料TiO2半導(dǎo)體納米材料由于它具有不同于體材料的光學非線性和發(fā)光性質(zhì)，在 未來光開關(guān)、光存儲、光快速轉(zhuǎn)換和超高速處理等方面具有巨大的應(yīng)用前景。本 文就TiO2半導(dǎo)體納米材料的主要制備方法與表征手段做一全面總結(jié)。課程設(shè)計報告內(nèi)容1 TiO2半導(dǎo)體納米材料的特性1、光學特性TiO2半導(dǎo)體納米粒子（1100 nm ） 2由于存在著顯著的量子尺寸效應(yīng)，因 此它們的光物理和光化學性質(zhì)迅速成為目前最活躍的研究領(lǐng)域之一，其中TiO2 半導(dǎo)體納米粒子所具有的超快速的光學非線性響應(yīng)及（室溫） 光致發(fā)光等特性倍 受世人矚目。通常當半導(dǎo)體粒子尺寸與其激子玻爾半徑相近時， 隨著粒子尺寸

3、的 減小， 半導(dǎo)體粒子的有效帶隙增加， 其相應(yīng)的吸收光譜和熒光光譜發(fā)生藍移， 從而在能帶中形成一系列分立的能級1。2、光電催化特性1）TiO2半導(dǎo)體納米粒子優(yōu)異的光電催化活性近年來，對納米TiO2半導(dǎo)體粒子研究表明：納米粒子的光催化活性均明顯 優(yōu)于相應(yīng)的體相材料。我們認為這主要由以下原因所致:TiO2半導(dǎo)體納米粒子所具有的量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)帶和價帶能級變成分立的 能級，能隙變寬，導(dǎo)帶電位變得更負，而價帶電位變得更正。1這意味著TiO2 半導(dǎo)體納米粒子獲得了更強的還原及氧化能力 ， 從而催化活性隨尺寸量子化程 度的提高而提高5 。對于 TiO2 半導(dǎo)體納米粒子而言， 其粒徑通常小于空間電荷層的厚

4、度， 在離開 粒子中心L距離處的勢壘高度可以表述為1:公式（1）這里LD是半導(dǎo)體的Debye長度，在此情況下，空間電荷層的任何影響都可忽略， 光生載流子可通過簡單的擴散從粒子內(nèi)部遷移到粒子表面而與電子給體或受體 發(fā)生還原或氧化反應(yīng)。計算表明：在粒徑為1Lm的T iO 2粒子中，電子從體內(nèi) 擴散到表面的時間約為1OOn s,而在粒徑為10 nm的微粒中只有10 p s。因此粒 徑越小, 電子與空穴復(fù)合幾率越小, 電荷分離效果越好, 從而導(dǎo)致催化活性的 提高。2）TiO2半導(dǎo)體納米粒子奇特的選擇性粒徑不同，則反應(yīng)的選擇性亦不同。A npo等人曾對鉑化的T iO 2粒子光催 化丙炔與水蒸氣的反應(yīng)進行

5、了研究。結(jié)果表明: 反應(yīng)產(chǎn)物為甲烷、乙烷和丙烷, 反應(yīng)的選擇性（定義為丙烷與乙烷的摩爾比） 隨著粒徑的減小而降低， 當粒子尺 寸由200nm降為5. 5nm時，反應(yīng)的選擇性降低了10倍1。TiO2半導(dǎo)體納米粒子光催化反應(yīng)的選擇性與在電極分離的PEC電池中進行的 不同。這是由于粒子尺寸小， 其表面氧化和還原位置距離很近所致。不同種類的TiO2半導(dǎo)體納米粒子催化反應(yīng)的選擇性不同。利用納米TiO2和ZnS 半導(dǎo)體粒子光催化分解甲醇水活液制氫，前者產(chǎn)物為H2,而后者反應(yīng)的產(chǎn)物為 丙三醇和H2。3）光照作用下TiO2半導(dǎo)體納米粒子電位的浮動效應(yīng)TiO2半導(dǎo)體納米懸浮體系的一個特殊性質(zhì)是光照下粒子的電位可

6、以浮動。這 可導(dǎo)致原本不能發(fā)生的反應(yīng)得以進行， 如: TiO2 的導(dǎo)帶電位不足以還原氫， 因 此在PEC電池中不加偏壓是不能析出氫的，然而在TiO2納米粒子上可以收集到 氫3。3、光電轉(zhuǎn)換特性近年來，由于TiO2半導(dǎo)體納米粒子構(gòu)成的多孔大比表面PEC電池具有優(yōu)異的 光電轉(zhuǎn)換特性而倍受矚目。 Gratzel 等人于1991 年報道了經(jīng)三雙吡啶釕敏化的 納米TiO2 PEC電池的卓越的性能，在模擬太陽光源照射下，其光電轉(zhuǎn)換效率可 達12%，光電流密度大于12mAcm - 2。這是由于納米TiO2多孔電極表面吸附 的染料分子數(shù)比普通電極表面所能吸附的染料分子數(shù)多50 倍以上， 而且?guī)缀趺?個染料分子

7、都與TiO2分子直接接觸，光生載荷子的界面電子轉(zhuǎn)移很快，因而具 有優(yōu)異的光吸收及光電轉(zhuǎn)換特性。4、TiO2半導(dǎo)體納米粒子電學特性介電壓電特性是材料的基本物性之一。TiO2半導(dǎo)體納米材料的介電行為（介電 常數(shù)、介電損耗） 及壓電特性同常規(guī)的半導(dǎo)體材料有很大不同， 概括起來主要有 以下幾點 3:1）TiO2半導(dǎo)體納米材料的介電常數(shù)隨測量頻率的減小呈明顯上升趨勢，而相應(yīng) 的常規(guī)半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)較低，在低頻范圍內(nèi)上升趨勢遠低于TiO2半導(dǎo)體 納米材料。2）在低頻范圍，TiO2半導(dǎo)體納米材料的介電常數(shù)呈現(xiàn)尺寸效應(yīng)，即粒徑很小時, 其介電常數(shù)較低， 隨粒徑增大， 介電常數(shù)先增加然后有所下降， 在某一臨

8、界尺 寸呈現(xiàn)極大值。3）介電常數(shù)溫度譜及介電常數(shù)損耗譜特征：納米TiO2半導(dǎo)體的介電常數(shù)溫度 譜上存在一個峰, 而在其相應(yīng)的介電常數(shù)損耗譜上呈現(xiàn)一損耗峰。一般認為前者 是由于離子轉(zhuǎn)向極化造成的, 而后者是由于離子弛豫極化造成的。4）壓電特性：對某些TiO2半導(dǎo)體納米而言，其界面存在大量的懸鍵，導(dǎo)致其界 面電荷分布發(fā)生變化, 形成局域電偶極矩。若受外加壓力使電偶極矩取向分布等 發(fā)生變化， 在宏觀上產(chǎn)生電荷積累， 從而產(chǎn)生強的壓電效應(yīng)， 而相應(yīng)的粗晶半 導(dǎo)體材料粒徑可達Lm數(shù)量級，因此其界面急劇減小，從而導(dǎo)致壓電效應(yīng)消失。TiO2半導(dǎo)體納米材料的制備方法1、激光燒蝕法目前， 在眾多納米粉末制備方法

9、中 ， 以激光為熱源的制備工藝因可獲得純度 高、粒徑小、分布范圍窄的超細粉末而占有特殊重要的地位。激光燒蝕法（簡稱為PLA）制備納米顆粒是利用脈沖激光束將靶材在瞬間（10ms） 加熱到氣化溫度以上 ， 產(chǎn)生由靶材原子、離子和原子簇組成的蒸氣羽 （plumes） ， 后者在飛行過程中與環(huán)境氣體原子碰撞減速 ， 并彼此相互碰撞 ， 并形 核生長形成納米顆粒5。2、熔鹽法熔鹽法是一種制備無機粉體材料的新方法，具有合成溫度低、反應(yīng)時間短、 工藝簡單、合成產(chǎn)物純度高、粉體顆粒的晶型與形貌可控以及環(huán)境污染小等特點， 顯示出在合成無機非金屬材料粉體方面的潛在優(yōu)勢。該方法首先利用一步室溫固相化學反應(yīng)通過簡單的

10、研磨合成出前驅(qū)物納米粒子；然后加入表面活性劑聚氧乙烯9醚（NP-9）和助熔劑（NaCl）再次研磨前 驅(qū)物后于一定的溫度下熱分解前驅(qū)物而制備氧化物納米線。利用該方法能合成出 多種氧化物納米線。該方法成功地制備出TiO2氧化物納米線6。熔鹽法的優(yōu)點是不需要一定的壓強、催化劑、激發(fā)元;不需要復(fù)雜的高溫反 應(yīng)設(shè)備及實驗技術(shù)。TiO2半導(dǎo)體納米材料的表征手段1、TiO2半導(dǎo)體納米材料的粒度分析大部分固體材料均是由各種形狀不同的顆粒構(gòu)造而成，因此，細微顆粒材料 的形狀和大小對材料結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。尤其對納米材料，其顆粒大小 和形狀對材料的性能起著決定性的作用。因此，對納米材料的顆粒大小、形狀的 表

11、征和控制具有重要意義。一般固體材料顆粒大小可以用顆粒粒度概念來表述。由于粉體材料的顆粒大小分布較廣，可從納米級到毫米級，因此在描述材料 粒度大小時，可以把顆粒按大小分為納米顆粒、超細微粒、微粒、細粒、粗粒等 種類。近年來，隨著納米科學和技術(shù)的迅猛發(fā)展，納米材料的顆粒分布以及顆粒 大小已經(jīng)成為納米材料表征的重要指標之一，其研究的粒度分布范圍主要在1500nm之間，尤其是120nm之間的粒度，是納米材料研究最關(guān)注的尺寸范圍。2、TiO2半導(dǎo)體納米材料的形貌分析材料的形貌尤其是納米材料的形貌是材料分析的重要組成部分，材料的很多 物理化學性能是由其形貌特征所決定的。對于納米材料，其性能不僅與材料顆粒

12、大小還與材料的形貌有重要關(guān)系。因此，納米材料的形貌分析是納米材料的重要 研究內(nèi)容。形貌分析主要內(nèi)容是，分析材料的幾何形貌、材料的顆粒度、顆粒的 分布以及形貌微區(qū)的成分和物相結(jié)構(gòu)等方面。納米材料常用的形貌分析方法主要有掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微 鏡(TEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)法4。3、TiO2半導(dǎo)體納米材料的成分分析納米材料的光、電、聲、熱、磁等物理性能與組成納米材料的化學成分和結(jié) 構(gòu)具有密切關(guān)系。因此，確定納米材料的元素組成，測定納米材料中雜質(zhì)的種類 和濃度，是納米材料分析的重要內(nèi)容之一。納米材料成分分析可分為微量樣品分析和痕量成分分析兩種類型。微量

13、樣品 分析是就取樣量而言的。痕量成分分析則是就待測成分在納米材料中的含量而言 的。由于雜質(zhì)或摻雜的成分含量很低，低到百萬分之甚至更低的濃度范圍，因 此，稱這類分析為痕量成分分析。納米材料的成分分析方法按照分析的目的不同 又分為體相元素成分分析、表面成分分析和微區(qū)成分分析等方法4 。4、TiO2半導(dǎo)體納米材料的結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)表征的方法相當多，適用于納米材料結(jié)構(gòu)分析的儀器也不止上面介 紹的幾種，而且新的表征也不斷出現(xiàn)。如高分辨電子顯微鏡已經(jīng)能夠以原子級的 分辨率顯示原子排列和化學成分，隧道掃描顯微鏡能夠測定材料表面和近表面原 子排列和電子結(jié)構(gòu)，低能電子顯微鏡可用于顯示表面缺陷結(jié)構(gòu)等。隨著分析儀器

14、和技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料結(jié)構(gòu)研究所能夠采用的試驗儀器 越來越多，包括高分辨透射電鏡(HRTEM)、掃描探針顯微鏡(SPM)、掃描隧道顯微 鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、場離子顯微鏡(FIM)、X射線衍射儀(XRD)、擴展X 射線吸收精細結(jié)構(gòu)測定儀(ExAFs)、穆斯堡爾譜儀(Ms)、拉曼散射儀(RS)等等。 可以認為，納米結(jié)構(gòu)的研究方法幾乎已經(jīng)涉及全部物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析測試的儀器4。4 TiO2半導(dǎo)體納米材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢TiO2半導(dǎo)體納米微粒是在納米尺度上原子和分子的集合體，這個過去從來 沒有被人們注意的非宏觀、非微觀的中間層次出現(xiàn)許多新問題, 例如電子的平均 自由程比傳統(tǒng)固體短， 周

15、期性被破壞， 過去建立在平移周期上描述電子的布洛 赫波已不適用，建立在亞微米范圍的半導(dǎo)體p 2n結(jié)理論對于小于10 nm的微粒 已經(jīng)失效6。對納米尺度上電子行為的描述必須引入新的理論， 這也將促進介 觀物理、量子物理和混沌物理的發(fā)展。目前該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀是：在TiO2半導(dǎo)體納米制備方面，追求獲得量大、 尺寸可控、表面清潔, 制備方法趨于多樣化, 種類和品種繁多; 在性質(zhì)和微結(jié) 構(gòu)研究上著重探索普適規(guī)律；研究納米尺寸復(fù)合，發(fā)展新型TiO2半導(dǎo)體納米 復(fù)合材料是該領(lǐng)域的熱點；TiO2半導(dǎo)體納米材料的光催化及光電轉(zhuǎn)換研究表 現(xiàn)出誘人的前景。盡管TiO2半導(dǎo)體納米研究剛剛起步，但它的一系列新奇特性使 它成為納米材料科學的一個前沿領(lǐng)域， 相信一定會有更新的突破。結(jié)論本課程論文的主要目的是論述 TiO2 半導(dǎo)體納米材料，通過簡要概述 TiO2 半導(dǎo)體納米材料的特性、制備方法、表征手段及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢等相關(guān)方面的內(nèi) 容。通過這次課設(shè)，使我對 TiO2 半導(dǎo)體納米材料有了較深的認識，鞏固了 課堂上所學的有關(guān)納米材料的有關(guān)知識，提高了自己應(yīng)用所學知識和技能解 決實際問題的能力，學到了很多無機非金屬材料中有關(guān)新型納米材料的很多知 識，獲益匪淺。由于本人在材料方面不足，本課設(shè)還一些不足，例如對 TiO2 半導(dǎo)體納米材料 的特性和制備方法等問題描述地還不夠完善，希望在以后積累更