金红石型二氧化钛陶瓷的制备及其氮掺杂前后的光致形变性能研究

发布时间：2020-10-13 01:23

　　 光致形变是指材料在光诱导下产生的非热的形变,包括伸缩、弯曲、扭曲等形变。光致形变材料在无线光驱动器、微传感器和继电器、光控储气器以及其它潜在的光学机械应用领域具有重要的应用前景。从实际应用的角度来看,光致形变的研究还存在许多问题,比如响应慢、形变小、光吸收范围窄等。对这些问题的解决将加速器件微型化的前行,促进科技发展。二氧化钛(TiO2)是一种典型的光催化半导体材料,并且具有廉价易得、无毒、不会造成二次污染等优点。我们推测它可能具有潜在的光致形变效应。不过二氧化钛光吸收范围比较窄,偏向紫外部分,所以光能利用率并不高。本课题的目的在于检验二氧化钛中可能存在的光致形变效应并拓展其光谱响应范围,为实际应用奠定基础。研究内容及创新成果如下:本文首次研究了金红石型TiO2陶瓷的光致形变特性。首先,通过放电等离子烧结(SPS)的方法,将锐钛矿型TiO2粉体在1050℃下烧结得到金红石型TiO2陶瓷。紫外可见吸收光谱表征结果显示合成的金红石型TiO2的带隙比锐钛矿的TiO2带隙窄,并且对可见光有微弱的吸收。通过对二氧化钛陶瓷的光致形变性能测试,得到TiO2陶瓷在波长为405 nm光强为22.3 kWnf2、波长为520 nm光强为67.6 kWm-2和波长为655 nm光强为41.2 kWm-2激光辐照下的形变分别为1.6×10-3,1.8×10-3和7×10-4,平均响应速度约6s。为了调控二氧化钛带隙,拓宽其光吸收范围,增强可见光的吸收,本文采用对Ti02陶瓷进行氨气氛围退火的方式在600℃,650℃,700℃,750℃,800℃,850℃下对其进行氮掺杂。XRD和紫外可见吸收光谱结果显示TiO2陶瓷在掺杂过程中没有发生相变,N原子被掺杂到了 TiO2晶格中。通过对氮掺杂的二氧化钛陶瓷的光致形变性能测试,得到在波长为405 nm光强为22.3 kWm-2激光辐照下,600℃氮掺杂的TiO2陶瓷具有最大光致形变为1.6×10-3;在波长为520 nm光强为67.6 kWm-2激光辐照下,750℃氮掺杂的TiO2陶瓷具有最大光致形变为2.4×10-3;而在波长为655 nm光强为41.2 kWm-2激光辐照下,800℃氮掺杂的TiO2陶瓷具有最大光致形变为1.9×10-3,是纯金红石型TiO2陶瓷光致形变的3倍左右。原位XRD分析表明纯相TiO2陶瓷和氮掺杂的TiO2陶瓷在激光辐照过程中并没有发生相变,而是由光导致的晶格变化而产生形变。因此,我们认为非极性半导体陶瓷的光致形变与导带中过量的光激载流子引起的原子键长变化有关。
【学位单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304
【部分图文】：

现光导致的应变在居里温度Ｔｃ下呈现正值，在温度１上呈现负值，而在副电相中??并没有发现光致形变现象，在居里温度附近达到最大值，这证实了在铁电材料中，??光致形变与材料的电极性有关，如图１．１［２７］。尽管ＳｂＳＩ单晶有较大的光伏和光致形??变特性，但由于低的铁电临界温度（２９５Ｋ）而不被应用在室温下［２７］。与此同时，研??究者对ＳｂＳＩ陶瓷进行改性［３（Ｗ３］，将铁电临界温度提高到３３０Ｋ，促进了光致形变的??深入研究。?????ｒ：！Ｖ?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）??图１．１?ＳｂＳＩ单晶沿ｃ轴在ｌｋＶ／ｃｍ电场下的光致伸缩１２７Ｉ？??紧接着，Ｂｒｏｄｙ和Ｕｃｈｉｎｏ团队等人进一步研究了室温下铁电镧改性ＰＺＴ（?ＰＬＺＴ）??的光致伸缩性能［４，２９３４＿３６］。正如铁电陶瓷所期望的那样，由于均匀性、化学计量学和??晶粒尺寸的变化，光致伸缩性能在很大程度上受到样品的合成或制备方法影响。??值得注意的是，通过优化晶粒尺寸，光致伸缩可达０．０１％，这样一个大的值是非常??令人鼓舞的

１．１．３极性半导体光致形变的研究状况??１９７２年，极性半导体的光致伸缩首次被Ｊ．?Ｌａｇｏｗｓｋｉ和Ｈ．?Ｃ．?Ｇａｔｏｓ团队报道，??非中心对称ＣｄＳ单晶中的光力学效应被观察到，如图１．４所示［４５］。此研宄发现，可??见光诱导的一种弹性变形导致垂直于晶体学轴（００１）的ＣｄＳ悬臂梁的机械振动，这种??振动具有两种可能的形变类型：弯曲或扭曲。根据扰度和长度的关系，计算得到光??致形变的值大约为７５ｐｐｍ。这种效应被解释为由光引起的表面电场变化和逆压电效??应引起的弹性应变的耦合作用。尽管ＣｄＳ晶片所表现出的振动振幅的波长依赖性与??它们的表面光电压谱非常和似，但它与光电导率与波长的关系还是有很大的不同。??这个问题与ＳｂＳＩ单晶的实验观察结果一致，这是由于两种相互竞争的机制在光弹??性效应中可能相互作用的结果。??．ｆ?Ｄｏｍｉｎａｎｔ?Ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅ??ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｈｘ／?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ??图１．４?ＣｄＳ单晶悬臂梁的机械振动：弯曲和扭曲［４５］。??由于非中心对称晶体结构相似性，砷化镓（ＧａＡｓ）单晶（１１１）面的光力学振动效??应被报道［２２］。结果显示其在斩波光的作用下，悬臂梁被激发而产生共振振动。就??５??

图１．５?ＴＭＲ结：光控操作
【参考文献】

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本文编号：2838544