光致形變是指材料在光誘導(dǎo)下產(chǎn)生的非熱的形變,包括伸縮、彎曲、扭曲等形變。光致形變材料在無線光驅(qū)動(dòng)器、微傳感器和繼電器、光控儲(chǔ)氣器以及其它潛在的光學(xué)機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。從實(shí)際應(yīng)用的角度來看,光致形變的研究還存在許多問題,比如響應(yīng)慢、形變小、光吸收范圍窄等。對(duì)這些問題的解決將加速器件微型化的前行,促進(jìn)科技發(fā)展。二氧化鈦(TiO2)是一種典型的光催化半導(dǎo)體材料,并且具有廉價(jià)易得、無毒、不會(huì)造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)。我們推測(cè)它可能具有潛在的光致形變效應(yīng)。不過二氧化鈦光吸收范圍比較窄,偏向紫外部分,所以光能利用率并不高。本課題的目的在于檢驗(yàn)二氧化鈦中可能存在的光致形變效應(yīng)并拓展其光譜響應(yīng)范圍,為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新成果如下:本文首次研究了金紅石型TiO2陶瓷的光致形變特性。首先,通過放電等離子燒結(jié)(SPS)的方法,將銳鈦礦型TiO2粉體在1050℃下燒結(jié)得到金紅石型TiO2陶瓷。紫外可見吸收光譜表征結(jié)果顯示合成的金紅石型TiO2的帶隙比銳鈦礦的TiO2帶隙窄,并且對(duì)可見光有微弱的吸收。通過對(duì)二氧化鈦陶瓷的光致形變性能測(cè)試,得到TiO2陶瓷在波長(zhǎng)為405 nm光強(qiáng)為22.3 kWnf2、波長(zhǎng)為520 nm光強(qiáng)為67.6 kWm-2和波長(zhǎng)為655 nm光強(qiáng)為41.2 kWm-2激光輻照下的形變分別為1.6×10-3,1.8×10-3和7×10-4,平均響應(yīng)速度約6s。為了調(diào)控二氧化鈦帶隙,拓寬其光吸收范圍,增強(qiáng)可見光的吸收,本文采用對(duì)Ti02陶瓷進(jìn)行氨氣氛圍退火的方式在600℃,650℃,700℃,750℃,800℃,850℃下對(duì)其進(jìn)行氮摻雜。XRD和紫外可見吸收光譜結(jié)果顯示TiO2陶瓷在摻雜過程中沒有發(fā)生相變,N原子被摻雜到了 TiO2晶格中。通過對(duì)氮摻雜的二氧化鈦陶瓷的光致形變性能測(cè)試,得到在波長(zhǎng)為405 nm光強(qiáng)為22.3 kWm-2激光輻照下,600℃氮摻雜的TiO2陶瓷具有最大光致形變?yōu)?.6×10-3;在波長(zhǎng)為520 nm光強(qiáng)為67.6 kWm-2激光輻照下,750℃氮摻雜的TiO2陶瓷具有最大光致形變?yōu)?.4×10-3;而在波長(zhǎng)為655 nm光強(qiáng)為41.2 kWm-2激光輻照下,800℃氮摻雜的TiO2陶瓷具有最大光致形變?yōu)?.9×10-3,是純金紅石型TiO2陶瓷光致形變的3倍左右。原位XRD分析表明純相TiO2陶瓷和氮摻雜的TiO2陶瓷在激光輻照過程中并沒有發(fā)生相變,而是由光導(dǎo)致的晶格變化而產(chǎn)生形變。因此,我們認(rèn)為非極性半導(dǎo)體陶瓷的光致形變與導(dǎo)帶中過量的光激載流子引起的原子鍵長(zhǎng)變化有關(guān)。
【學(xué)位單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN304
【部分圖文】：

現(xiàn)光導(dǎo)致的應(yīng)變?cè)诰永餃囟龋裕阆鲁尸F(xiàn)正值，在溫度１上呈現(xiàn)負(fù)值，而在副電相中??并沒有發(fā)現(xiàn)光致形變現(xiàn)象，在居里溫度附近達(dá)到最大值，這證實(shí)了在鐵電材料中，??光致形變與材料的電極性有關(guān)，如圖１．１［２７］。盡管ＳｂＳＩ單晶有較大的光伏和光致形??變特性，但由于低的鐵電臨界溫度（２９５Ｋ）而不被應(yīng)用在室溫下［２７］。與此同時(shí)，研??究者對(duì)ＳｂＳＩ陶瓷進(jìn)行改性［３（Ｗ３］，將鐵電臨界溫度提高到３３０Ｋ，促進(jìn)了光致形變的??深入研究。?????ｒ：�。�?７＾??－．６?層?＼＾２３，０°Ｃ??Ｊ??Ｌｉｇｈｔ?ＯＦＦ?｜??＊?２?４?＂?６?＇?８?１０?１２?１４?１６?１８?２０?２２?２４?２６?２８??ｔｉｍｅ（ｓ）??圖１．１?ＳｂＳＩ單晶沿ｃ軸在ｌｋＶ／ｃｍ電場(chǎng)下的光致伸縮１２７Ｉ？??緊接著，Ｂｒｏｄｙ和Ｕｃｈｉｎｏ團(tuán)隊(duì)等人進(jìn)一步研究了室溫下鐵電鑭改性ＰＺＴ（?ＰＬＺＴ）??的光致伸縮性能［４，２９３４＿３６］。正如鐵電陶瓷所期望的那樣，由于均勻性、化學(xué)計(jì)量學(xué)和??晶粒尺寸的變化，光致伸縮性能在很大程度上受到樣品的合成或制備方法影響。??值得注意的是，通過優(yōu)化晶粒尺寸，光致伸縮可達(dá)０．０１％，這樣一個(gè)大的值是非常??令人鼓舞的

１．１．３極性半導(dǎo)體光致形變的研究狀況??１９７２年，極性半導(dǎo)體的光致伸縮首次被Ｊ．?Ｌａｇｏｗｓｋｉ和Ｈ．?Ｃ．?Ｇａｔｏｓ團(tuán)隊(duì)報(bào)道，??非中心對(duì)稱ＣｄＳ單晶中的光力學(xué)效應(yīng)被觀察到，如圖１．４所示［４５］。此研宄發(fā)現(xiàn)，可??見光誘導(dǎo)的一種彈性變形導(dǎo)致垂直于晶體學(xué)軸（００１）的ＣｄＳ懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)，這種??振動(dòng)具有兩種可能的形變類型：彎曲或扭曲。根據(jù)擾度和長(zhǎng)度的關(guān)系，計(jì)算得到光??致形變的值大約為７５ｐｐｍ。這種效應(yīng)被解釋為由光引起的表面電場(chǎng)變化和逆壓電效??應(yīng)引起的彈性應(yīng)變的耦合作用。盡管ＣｄＳ晶片所表現(xiàn)出的振動(dòng)振幅的波長(zhǎng)依賴性與??它們的表面光電壓譜非常和似，但它與光電導(dǎo)率與波長(zhǎng)的關(guān)系還是有很大的不同。??這個(gè)問題與ＳｂＳＩ單晶的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致，這是由于兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制在光彈??性效應(yīng)中可能相互作用的結(jié)果。??．ｆ?Ｄｏｍｉｎａｎｔ?Ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅ??ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｈｘ／?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ??圖１．４?ＣｄＳ單晶懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)：彎曲和扭曲［４５］。??由于非中心對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)相似性，砷化鎵（ＧａＡｓ）單晶（１１１）面的光力學(xué)振動(dòng)效??應(yīng)被報(bào)道［２２］。結(jié)果顯示其在斬波光的作用下，懸臂梁被激發(fā)而產(chǎn)生共振振動(dòng)。就??５??

圖１．５?ＴＭＲ結(jié)：光控操作
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2838544