本文關(guān)鍵詞：摻雜對鉭基半導(dǎo)體光學(xué)及磁學(xué)性能的調(diào)控研究

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【摘要】：近年來,利用太陽能光催化水解制氫產(chǎn)生清潔可替代能源對實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大指導(dǎo)意義。半導(dǎo)體光催化劑作為實(shí)現(xiàn)從太陽能向化學(xué)能轉(zhuǎn)變的重要載體得到了廣泛關(guān)注。而鉭基半導(dǎo)體氧化物由于其產(chǎn)氫活性高、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐酸堿等特性被廣泛應(yīng)用于光催化和自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的研究。由于該類型半導(dǎo)體氧化物的帶隙能都在3.8 eV-4.0 eV,其光響應(yīng)范圍主要在紫外光區(qū),對太陽光的利用率小,制約了半導(dǎo)體光催化劑在實(shí)際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。離子摻雜是拓寬半導(dǎo)體光響應(yīng)范圍的一種行之有效的方法。因此本論文主要以鉭基半導(dǎo)體氧化物為研究對象,通過離子摻雜實(shí)現(xiàn)其光學(xué)帶邊的調(diào)控以及磁學(xué)性能的研究。具體研究結(jié)果如下：(1)以TaN為反應(yīng)源,采用水熱法在HF水溶液中制備出在可見光有吸收的自摻雜N-Ta2O5光催化劑。N自摻雜可以使Ta_20_5的帶隙從4.0 eV降低為2.2 eV,使其在可見光產(chǎn)生較強(qiáng)吸收。選取亞甲基藍(lán)為降解源,通過結(jié)晶度優(yōu)化可以大幅提高其催化活性,測定了所得樣品對亞甲基藍(lán)的光催化降解效率達(dá)到80%。(2)以Ta_20_5為反應(yīng)源,在強(qiáng)堿性NaOH水溶液中,用FeCl3·6H2O作為Fe摻雜源,采用水熱法合成具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合物NaTaO_3。在NaTaO_3中摻雜金屬元素Fe一方面調(diào)控其光學(xué)帶隙以使其在可見光下有較強(qiáng)吸收,另一方面調(diào)控其磁學(xué)特性。紫外-可見光吸收測試結(jié)果表明,Fe摻雜有效地改變了NaTaO_3的吸收特性,光吸收帶邊從紫外光區(qū)紅移到可見光區(qū),帶隙能逐漸降低到1.77 eV。磁測量結(jié)果表明,摻雜后的樣品在室溫下表現(xiàn)出明顯鐵磁性。這是因?yàn)镕e摻雜替代高化合價(jià)的Ta后,鄰近磁性原子通過氧位產(chǎn)生的雙交換與超交換耦合作用誘導(dǎo)了鐵磁性的產(chǎn)生。同時,摻雜導(dǎo)致的氧空位也是鐵磁性產(chǎn)生的另一個因素。(3)以Ta_20_5為反應(yīng)源,在強(qiáng)堿性NaOH水溶液中,分別用MnSO4·H2O和Co(NO3)2·6H2O作為(Mn、Co)摻雜源,采用水熱法合成單摻雜的Mn-NaTaO_3和Co-NaTaO_3。結(jié)果表明Mn、Co摻雜也同樣能夠調(diào)控NaTaO_3的光學(xué)帶隙和磁學(xué)特性。UV-vis測試表明Mn和Co元素的摻雜可以使NaTaO_3的吸收帶邊由紫外光區(qū)擴(kuò)展到可見光區(qū)范圍,對應(yīng)的帶隙能分別降到1.72 eV和1.56 eV。摻雜后樣品均表現(xiàn)出低溫鐵磁性,樣品NaTa1-xMnxO3的鐵磁性隨著摻雜量的增多而逐漸增強(qiáng)；而樣品NaTa1-xCoxO3的鐵磁性則隨摻雜量的增多而逐漸減弱�？傊�,我們采用水熱法制備了不同體系的鉭基半導(dǎo)體納米材料,通過自摻雜的方法制備出了具有高光催化活性的N-Ta2O5,通過過渡金屬(M=Mn、Fe、Co)摻雜NaTaO_3納米立方晶實(shí)現(xiàn)了光學(xué)帶隙和磁性的同時共同調(diào)控,這些能帶調(diào)控方法為未來光催化劑及半導(dǎo)體存儲器件的研發(fā)和利用提供重要借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】：Ta_2O_5 NaTaO_3 水熱法 光催化 磁性
【學(xué)位授予單位】：山西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1 綜述10-18
• 1.1 研究的目的和意義10
• 1.2 光催化劑的作用原理10-12
• 1.3 半導(dǎo)體光催化劑的改性技術(shù)12-15
• 1.4 鉭基鈣鈦礦氧化物的研究進(jìn)展15-16
• 1.5 本論文研究內(nèi)容和意義16-18
• 2 半導(dǎo)體光催化劑的表征測試18-24
• 2.1 前言18
• 2.2 化學(xué)試劑和實(shí)驗(yàn)設(shè)備18-19
• 2.3 樣品的表征測試19-24
• 2.3.1 X射線衍射分析19
• 2.3.2 X射線光電子能譜19-20
• 2.3.3 掃描電子顯微鏡20
• 2.3.4 透射電子顯微鏡20-21
• 2.3.5 紫外可見漫反射光譜21
• 2.3.6 振動樣品磁強(qiáng)計(jì)21-22
• 2.3.7 超導(dǎo)量子干涉儀22
• 2.3.8 電子順磁共振22-24
• 3 氮自摻雜Ta_2O_5微球制備及其光催化性能研究24-30
• 3.1 引言24
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分24
• 3.3 結(jié)果與討論24-28
• 3.4 本章小結(jié)28-30
• 4 Fe摻雜對Na TaO3光學(xué)與磁學(xué)性能的調(diào)控30-40
• 4.1 引言30
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分30
• 4.3 結(jié)果與討論30-38
• 4.3.1 Fe摻雜NaTaO_3納米立方晶的結(jié)構(gòu)-形貌分析30-34
• 4.3.2 Fe摻雜NaTaO_3半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)34-36
• 4.3.3 Fe摻雜NaTaO_3半導(dǎo)體的磁性性質(zhì)36-38
• 4.4 本章小結(jié)38-40
• 5 Mn/Co摻雜對NaTaO_3光學(xué)與磁學(xué)性能的調(diào)控40-46
• 5.1 引言40
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分40
• 5.3 結(jié)果與討論40-45
• 5.3.1 Mn、Co摻雜NaTaO_3納米立方晶的結(jié)構(gòu)-形貌分析40-42
• 5.3.2 Mn、Co摻雜NaTaO_3納米立方晶的光學(xué)性質(zhì)分析42-43
• 5.3.3 Mn、Co摻雜NaTaO_3納米立方晶的磁學(xué)性質(zhì)43-45
• 5.4 本章小結(jié)45-46
• 6 結(jié)論46-48
• 致謝48-50
• 參考文獻(xiàn)50-54
• 附錄54

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