ZnSe及其Mn掺杂复合材料光吸收催化性能和高压结构性能研究

ZnSe半导体材料是制备光电器件和光催化反应催化剂的重要原材料。其单体材料具有强光下易变质、电子-空穴复合等现象。通过元素掺杂制备ZnSe复合材料,并与单体材料对比研究了元素掺杂所提升的ZnSe的光学及结构性能。首先采用水热法实验室制备纯ZnSe和Mn∶Zn加入比分别为5%、10%、15%和20%的ZnSe复合材料,对比材料形貌、结构,光吸收和催化性能,结果显示掺杂比为10%的样品结晶度最高,杂质成型量最少,催化性能最佳。采用Mao-Bell型金刚石压腔结合原位拉曼光谱探究纯ZnSe和掺杂比为10%的样品的高压结构相变行为,以探究元素掺杂对样品结构性能的影响。研究结果:(1)扫描电子显微镜(SEM)图显示,加入Mn元素后制得的ZnSe样品形貌为球状,与纯样大致相同,球状颗粒表面有小颗粒负载,且随着Mn加入量的增加,表面负载的物质增多;(2)X射线衍射(XRD)图谱表明,ZnSe样品结构为立方闪锌矿结构,随着Mn加入量的增加,样品MnSe特征峰增强,杂质MnO_(2)成型越完全。掺杂比为10%的样品ZnSe结晶度高,杂质成型量少;(3)固体紫外漫反射(UV-Vis)结果表明,掺杂比为10%的样品对光的吸收边最大,禁带宽度最小,为1.65 eV;(4)光催化实验结果显示,掺杂比为10%的样品催化降解甲基橙的效率最大,6 h降解85.4%。研究表明掺杂Mn元素比为10%的ZnSe复合材料,光吸收和催化性能相对最好。金刚石压腔结合原位拉曼光谱探究ZnSe样品和掺杂比为10%的样品的高压相变结果表明,(1)纯ZnSe的LO声子模在压力上升到12.3 GPa时基本消失,TO声子模在压力上升到20.8 GPa时消失,整个加压过程中没有新峰生成,纯ZnSe发生闪锌矿相向岩盐矿相转变的高压行为;(2)复合材料的TO声子模在6.9 GPa时发生劈裂,在8.0 GPa时208 cm^(-1)处有新峰出现,表明在此压力下部分样品由闪锌矿相转变为辰砂矿相。在10.8 GPa时辰砂矿相的峰消失,体系发生由辰砂矿相向岩盐矿相转变;加压至18.8 GPa,LO声子模非常微弱,几近消失,此时体系中的闪锌矿相完全转化为岩盐矿相。研究了不同条件下ZnSe的光催化性能和相变行为,探究了不同掺杂比对ZnSe光催化性能的影响,确定掺杂比为10%的ZnSe样品为最佳掺杂比复合材料,丰富了极端条件下ZnSe的物理化学性质的多样性研究。

1,2-二吡啶基乙烷-钼磷酸盐的水热合成、晶体结构和光吸收性能

采用水热法制备1,2二-吡啶基乙烷-钼磷酸盐(C12H14N2)2.PMo12O40,并用元素分析,红外光谱和单晶X射线衍射对其进行表征.该晶体属于三斜晶系,P(-1)空间群,晶胞参数a=11.3577(9)A°,b=12.2030(10)A°,c=18.1588(14)A°,α=80.866(2)°,β=78.170(2)°,γ=88.783(2)°,V=2431.9(3)A°3,Z=2,R1=0.0454,wR2=0.0880.该晶体由十二钼磷酸阴离子和质子化的1,2二-吡啶基乙烷分子通过静电引力和氢键相互作用堆积而成.UV-VIS-NIR反射光谱表明,该晶体在4.0—1.5 eV都有较强的选择性吸收.

钒掺杂纳米TiO_2薄膜的结构和光吸收性能

采用磁控溅射法制备了不同V含量的纳米TiO2薄膜,利用SEM、XRD、Ram an光谱和UV-vis吸收光谱对V掺杂TiO2薄膜的表面形貌、结晶特性、晶格应力和光吸收性能进行了分析.结果表明,V掺杂可促进TiO2薄膜晶粒的定向生长,得到尺寸分布较均匀的哑铃状晶粒,且可抑制薄膜的晶格膨胀和金红石型晶粒的生成.V掺杂TiO2薄膜处于压应力状态,且应力随V含量增加而增大.V掺杂使导带底向带隙延伸,TiO2薄膜光学带隙变窄,光响应范围从紫外区红移到可见光区域,提高了薄膜对可见光的吸收率.

Mn掺杂Ga_2O_3薄膜的结构及光吸收性能研究

采用磁控溅射法在Si(111)和玻璃衬底上制备出不同Mn掺杂含量的Ga2O3薄膜,使用扫描电子显微镜、电子能谱仪、X射线衍射仪、紫外-可见分光光度计等对Mn掺杂Ga2O3薄膜的表面形貌、结晶特性和光吸收性能进行了研究。结果表明,适量掺杂Mn可抑制薄膜的晶格膨胀,促进Ga2O3薄膜晶粒的定向生长,得到尺寸分布较均匀的多面体晶粒。Mn掺杂使Ga2O3价带顶向带隙延伸,光学带隙变窄,吸收边红移,近紫外区吸收增强。

Cu/V_2O_5-TiO_2的结构、光吸收性能与催化反应性能研究

用溶胶 凝胶法制得复合半导体 V2O5 TiO2,用等体积浸渍法制得Cu/V2O5 TiO2 光催化剂。利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、程序升温还原(TPR)、红外光谱(IR)、X 射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV VisDRS)和光反应器等技术研究了 Cu/V2O5 TiO2 的物相结构、光吸收性能和光催化反应性能。结果表明:含量为 10%(质量分数)的V2O5 单分子层分散在 TiO2 表面;V2O5 负载量超过单分子层分散(> 10% (质量分数))有晶相V2O5 生成,光吸收性能下降;负载金属 Cu 促进四面体配位V向八面体配位 V转化,使 TiO2 光吸收限发生蓝移,对可见光部分的吸收明显增加,拓宽了催化剂的光响应范围,提高了材料的光催化性能, CO2 和C3H6 合成MAA反应的光量子效率显著增加;催化剂的光吸收性能与反应性能呈顺变关系,Cu/10%V2O5 TiO2 的催化活性优于其它含量的催化剂,光量子效率达到15.5%。

纳米CdSe_xS_(1-x)微晶玻璃的光吸收性能

半导体纳米微晶掺杂滤光玻璃由于具有优异光学性质 ,近年来已成为光电子材料科学与技术关注的焦点之一。以硼硅酸盐玻璃为基质 ,通过对掺杂微晶组成、结构的设计以及颗粒尺寸的控制 ,系统的研究了纳米微晶的组成、结构以及纳米颗粒尺寸效应等因素对玻璃光吸收性能的影响。结果表明 ,玻璃吸收曲线的截止波长位置以及截止吸收系数主要取决于半导体纳米CdSexS1-x微晶的组成 。

水热合成纳米ZnO-Fe2O3复合材料及其光吸收性能

以Zn（Ac）2·2H2O、Fe（NO3）3·9H2O和NaOH为原料，采用水热法合成了纳米ZnO-Fe2O3复合材料。并用X射线衍射和扫描电子显微镜测试技术对ZnO-Fe2O3纳米粒子的结构和形貌进行了表征。ZnO-Fe2O3粒子基本为球形，粒径30-40nm；利用UV-3310紫外-可见分光光度计测试了样品的光吸收性能，并探讨了不同的反应温度、时间及不同物料配比等因素对光吸收强弱的影响。结果表明：当Fe：Zn=1：1（摩尔比），pH=7，180℃下反应5h得到的纳米复合材料光吸收性能最好。

Cu/SnO_2-TiO_2催化剂的结构、光吸收性能和催化反应性能

用溶胶-凝胶法制得复合半导体SnO2-TiO2,用等体积浸渍法制得Cu/SnO2-TiO2光催化剂.利用X射线衍射、拉曼光谱、程序升温还原、红外光谱、透射电镜、紫外-可见漫反射光谱和光反应器等技术研究了Cu/SnO2-TiO2的物相结构、微粒尺寸、吸光性能和光催化反应性能.结果表明,质量分数为10%的SnO2单分子层分散在TiO2表面,固体材料平均粒径为22nm;SnO2的引入使TiO2吸收限发生明显蓝移,SnO2负载量超过单分子层分散(大于10%),有晶相SnO2生成,光吸收性能下降;Ti-O-Sn键的形成加强了半导体之间的相互作用,有利于光生载流子在半导体间的输送;负载金属Cu使复合半导体可见光部分的吸收明显增加,拓宽了催化剂的光响应范围;不同Sn担载量的光催化剂光吸收性能与量子产率有良好的对应关系,担载10%SnO2光催化剂光吸收性能和催化活性优于其它含量的催化剂,其光量子效率达到13.9%.

NiO-V_2O_5／SiO_2光催化材料的结构和光吸收性能

采用表面改性法制备了SiO2负载的复合半导体材料NiO-V2O5．用BET、TPR、XRD、Raman、TEM、IR和UV-Vis DRS技术对固体材料的结构和光吸收性能进行了表征．结果表明V2O5在载体表面以微晶形式存在,粒径约为10nm,NiO和V2O5复合后部分形成了Ni2+-O-V5+键联,而且NiO和V2O5在固体材料表面有相互修饰作用．NiO的加入有助于提高V2O5在载体SiO2表面的分散程度,抑制V2O5的聚合,减小微晶尺寸,而且可以增强固体材料的光吸收性能,提高复合半导体对光能的利用率．

粒径对超细空心镍球光吸收性能的影响

用自催化还原法制备不同粒径的超细空心镍球,用场发射扫描电镜和透射电镜观察空心镍球的形貌,并通过粒度分析仪和X-Ray衍射仪等对其粒径对光吸收性能的影响进行研究。结果表明,在紫外?近红外区,随着粒径减小,镍球的光吸收性能明显增强;纳米尺寸的镍球在紫外光区的吸收特性与大粒径镍球明显不同,前者在375 nm处产生一个吸收峰;而在中红外区域,空心镍球具有很弱的光吸收能力。经过氢气气氛下热处理后,空心镍球的晶粒尺寸变大,其在紫外?近红外区域的光吸收减弱,纳米级的空心镍球,原来在375 nm的吸收峰移到了440 nm,这可能是由于晶粒尺寸增大所致。

n-ZnO/p-PbPc复合多层膜光吸收性能研究

用溶胶 凝胶 (sol gel)法和真空热蒸发沉积制备了氧化锌 /酞菁铅交替生长复合多层膜 ,并对复合膜的光吸收性能进行了研究。实验发现 ,复合膜的紫外 可见吸收谱中 ,酞菁铅的Q带吸收峰同时具有明显的蓝移和红移引起的新峰出现 ,说明氧化锌和金属酞菁之间存在很强的相互作用。氧化锌和酞菁铅分子间存在两种效应 :PbPc分子被ZnO包裹产生的量子约束效应导致的吸收峰蓝移 。

正交相Y_2Mo_3O_(12)薄膜的制备及光吸收性能研究

采用磁控溅射法在Si(100)和石英衬底上沉积Y2Mo3O12,并经退火处理获得正交相Y2Mo3O12薄膜。采用扫描电镜、X射线衍射仪、变温拉曼光谱仪和紫外-可见光谱计研究了薄膜的表面形貌、结晶特性、吸湿性和光吸收性能。结果表明,磁控溅射沉积Y2Mo3O12薄膜为非晶态,退火后结晶为正交相结构。正交相Y2Mo3O12薄膜表面平整、晶粒细小,具有可逆的脱水吸水性能,其光学带隙宽度为4.58eV,对近紫外光(波长286～270nm)具有很好的吸收性能,可应用于日盲探测器中。

反应温度对Ta掺杂球形氧化钨光吸收性能的影响

以TaCl5、Na2 WO4＆#183;2H2 O及C6 H6 O12为原料,采用水热法在140℃-200℃保温48h合成钽掺杂球形氧化钨。利用XRD、SEM等手段对产物进行物相、形貌进行表征。研究表明：水热反应温度140℃-200℃为均能获得三斜晶型的氧化钨球,球体尺寸在2-3μm之间。对不同反应温度条件下合成的氧化钨球进行紫外-可见光的吸收光谱分析可知,平均禁带宽度为3．73e V,在170℃水热条件下获得样品对光的吸收性能最好。该样品在高温煅烧后,形貌发生较大的变化。

粒径对空心镍球光吸收性能的影响

利用自催化还原法制备了不同粒径的空心镍球,观察了它们的形貌并测量了空心镍球的粒径分布,研究了它们的光吸收性能。结果表明,在紫外-近红外区,随着粒径的减小,镍球的光吸收性能明显增强,纳米尺寸的镍球在紫外光区的吸收特性与大粒径镍球明显不同。总体而言,小粒径镍球在整个测量波长范围内的光吸收都比较强,整体变化幅度小,而大粒径镍球在整个波长范围内光吸收变化幅度很大。

NiO-MoO_3/SiO_2光催化剂的结构与光吸收性能

采用表面改性法制备了负载型复合半导体N iO-MoO3/S iO2,用程序升温还原、X射线衍射、拉曼光谱、透射电镜、比表面积测定和紫外-可见光漫反射光谱技术对固体材料的组成结构和光吸收性能进行了表征.结果表明,N iO-MoO3/S iO2的平均粒径约为10 nm,在载体表面存在xN iO.MoO3复合氧化物的微晶,N iO和MoO3在固体材料表面产生相互修饰作用.N iO的加入有助于提高MoO3在载体S iO2表面的分散程度,抑制MoOx的聚合,减小微晶尺寸,而且可以增强固体材料的光吸收性能,提高复合半导体对光能的利用率.

热硫化Co掺杂对纳-微米黄铁矿的晶体结构特征及光吸收性能的影响

过渡金属硫化物黄铁矿是一种优异的光伏材料,掺杂改性是提高黄铁矿光伏性能的一种重要手段。为了探究不同Co掺杂量对黄铁矿的晶体结构和吸光性能的影响,采用热硫化法在360℃时制备出了纳-微米黄铁矿样品。利用X射线衍射(XRD)和多功能场发射扫描式电子显微镜(FESEM)分析了样品的晶体结构、形貌特征和晶粒尺寸;利用能谱仪(EDS)分析了样品的化学成分,并通过紫外-可见-近红外分光光度计(UVVis-NIR)表征了样品的光吸收性能和禁带宽度的变化。结果表明,掺Co并未改变黄铁矿的立方晶型结构,但与未掺杂黄铁矿相比,样品结晶度变差,晶粒发生团聚,尺寸在1~1.45μm范围内;掺Co量的增加会导致晶粒尺度略微减小,但影响不大。EDS检测表明,实际样品的掺杂并不均匀,当掺Co量小于7at%时,测试值小于名义掺杂量;而当掺Co量大于7at%时,Co易发生富集。S/(Fe+Co)的比值在1.92~2.05范围内,表明样品内部的点缺陷数量的变化。反射光谱表明制备样品的禁带宽度Eg在0.57~0.72eV之间。禁带宽度Eg随着掺杂量的增加,呈现出先减小(Co 3at%)后增加(Co 5~9at%)的趋势。掺Co量从0%增加3at%时,样品内部产生的点缺陷数目增多,形成的附加能级会导致禁带宽度Eg窄化;随着掺Co量进一步增加,S/(Fe+Co)比值更接近于2,晶体结构更趋完善,Fe空位或S间隙点缺陷比率降低,禁带宽度Eg趋近于本征特征,会导致禁带宽度Eg宽化;另外,随着Co含量的提高,物相中微量的CoS2相增多,亦会导致较高掺Co量样品的禁带宽度有所宽化。掺Co量在9at%的样品的禁带宽度为0.72eV,大于同温度条件下未掺杂样品的禁带宽度0.65eV,禁带宽度的宽化在理论上有利于提高样品的光电转换效率。

纳米阵列结构光吸收性能研究进展

分别介绍了近年来国内外对硅纳米线阵列、碳纳米管阵列和金属纳米阵列这几种典型的纳米阵列结构的研究,从理论和实验研究的角度综述了其光吸收性能的研究进展并提出了今后可能的研究方向。

Au/SiO_2复合薄膜的紫外光还原制备与光吸收性能

通过溶胶-凝胶法,利用紫外光辐射还原金(Au)得到了高均匀性Au/SiO2复合薄膜,并用SEM、TEM、XRD、UV-Vis光谱等手段对薄膜样品进行了性能表征,讨论了紫外光对金纳米粒子的还原机理。XRD结果表明,均匀分散于非晶SiO2中的Au纳米粒子呈现出面心立方多晶相;SEM结果表明,所得到的Au/SiO2复合薄膜中,纳米颗粒的尺寸较小,分布均匀;复合薄膜的UV谱表明,Au纳米粒子的表面等离子共振吸收峰随着焙烧温度的增加以及nAu/nSi的改变,从585nm附近逐渐红移至600nm附近,并逐渐增强,同时,nAu/nSi较大的3个薄膜样品分别在820,900和830nm附近的近红外区出现了吸收。

水热条件对合成勃姆石纳米棒形貌及其光吸收性能的影响

以1 mol/L的三氯化铝为铝源和1 mol/L的氢氧化钠为沉淀剂,在水热体系中180℃、p H=9和48 h的条件下成功地合成了径向尺寸小于10 nm的γ-Al OOH纳米棒。合成试样的物相、形貌和光吸收性能分别利用X射线衍射(XRD)、热场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和紫外可见光的吸收光谱仪(UV-Vis)进行表征。研究结果表明:在水热反应体系中,反应温度的升高和p H的增加均有利于合成γ-Al OOH纳米棒。但是,随着反应温度的进一步升高和p H的进一步增加,则有利于获得纳米片状结构的γ-Al OOH。UV-Vis分析可知,γ-Al OOH纳米棒对光的吸收能力大于γ-Al OOH纳米片对光的吸收能力,特别是γ-Al OOH纳米棒长径比的增加有利于其对光的吸收能力增加。

芳香族二硫化物光吸收及光引发性能研究

以二苯二硫醚(PDS)、对甲苯二硫醚(MPDS)、2,2′-二氟二苯二硫醚(FPDS)、5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)、2,2′-二硫二吡啶(PDDS)和双(2-噻吩基)二硫醚(TPDS)这6种芳香族二硫化物为对象,研究了它们的光吸收和光引发性能,分析了供电子基团、吸电子基团、富电子五元芳杂环和缺电子六元芳杂环对硫自由基光引发活性的影响。结果表明:这6种芳香族二硫化物的最大吸收波长均小于300 nm,供电基团甲基及芳香杂环的引入使芳香族二硫化合物的最大吸收波长红移,吸电子基团氟原子和硝基等使最大吸收波长蓝移;在385 nm的发光二极管(LED)照射下PDS、MPDS、DTNB和PDDS均能发生二硫键的断裂而产生芳基硫自由基,而TPDS不能生成稳定的芳基硫自由基;在385 nm的LED照射下PDS、MPDS、FPDS、DTNB和PDDS均能引发三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)聚合,在405 nm的LED照射下也可以引发TPGDA聚合;TPDS不能引发TPGDA和TMPTA聚合。