金紅石型二氧化鈦陶瓷的制備及其氮摻雜前后的光致形變性能研究

發(fā)布時間：2020-10-13 01:23

　　光致形變是指材料在光誘導下產(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)動器、微傳感器和繼電器、光控儲氣器以及其它潛在的光學機械應用領(lǐng)域具有重要的應用前景。從實際應用的角度來看,光致形變的研究還存在許多問題,比如響應慢、形變小、光吸收范圍窄等。對這些問題的解決將加速器件微型化的前行,促進科技發(fā)展。二氧化鈦(TiO2)是一種典型的光催化半導體材料,并且具有廉價易得、無毒、不會造成二次污染等優(yōu)點。我們推測它可能具有潛在的光致形變效應。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二氧化鈦中可能存在的光致形變效應并拓展其光譜響應范圍,為實際應用奠定基礎(chǔ)。研究內(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,并且對可見光有微弱的吸收。通過對二氧化鈦陶瓷的光致形變性能測試,得到TiO2陶瓷在波長為405 nm光強為22.3 kWnf2、波長為520 nm光強為67.6 kWm-2和波長為655 nm光強為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,增強可見光的吸收,本文采用對Ti02陶瓷進行氨氣氛圍退火的方式在600℃,650℃,700℃,750℃,800℃,850℃下對其進行氮摻雜。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。通過對氮摻雜的二氧化鈦陶瓷的光致形變性能測試,得到在波長為405 nm光強為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;在波長為520 nm光強為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;而在波長為655 nm光強為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,而是由光導致的晶格變化而產(chǎn)生形變。因此,我們認為非極性半導體陶瓷的光致形變與導帶中過量的光激載流子引起的原子鍵長變化有關(guān)。
【學位單位】：華中師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN304
【部分圖文】：

單晶,電場,鐵電,形變

現(xiàn)光導致的應變在居里溫度Ｔｃ下呈現(xiàn)正值，在溫度１上呈現(xiàn)負值，而在副電相中??并沒有發(fā)現(xiàn)光致形變現(xiàn)象，在居里溫度附近達到最大值，這證實了在鐵電材料中，??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）而不被應用在室溫下［２７］。與此同時，研??究者對ＳｂＳＩ陶瓷進行改性［３（Ｗ３］，將鐵電臨界溫度提高到３３０Ｋ，促進了光致形變的??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電場下的光致伸縮１２７Ｉ？??緊接著，Ｂｒｏｄｙ和Ｕｃｈｉｎｏ團隊等人進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、化學計量學和??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０．０１％，這樣一個大的值是非常??令人鼓舞的

機械振動,單晶,懸臂梁

１．１．３極性半導體光致形變的研究狀況??１９７２年，極性半導體的光致伸縮首次被Ｊ．?Ｌａｇｏｗｓｋｉ和Ｈ．?Ｃ．?Ｇａｔｏｓ團隊報道，??非中心對稱ＣｄＳ單晶中的光力學效應被觀察到，如圖１．４所示［４５］。此研宄發(fā)現(xiàn)，可??見光誘導的一種彈性變形導致垂直于晶體學軸（００１）的ＣｄＳ懸臂梁的機械振動，這種??振動具有兩種可能的形變類型：彎曲或扭曲。根據(jù)擾度和長度的關(guān)系，計算得到光??致形變的值大約為７５ｐｐｍ。這種效應被解釋為由光引起的表面電場變化和逆壓電效??應引起的彈性應變的耦合作用。盡管ＣｄＳ晶片所表現(xiàn)出的振動振幅的波長依賴性與??它們的表面光電壓譜非常和似，但它與光電導率與波長的關(guān)系還是有很大的不同。??這個問題與ＳｂＳＩ單晶的實驗觀察結(jié)果一致，這是由于兩種相互競爭的機制在光彈??性效應中可能相互作用的結(jié)果。??．ｆ?Ｄｏｍｉｎａｎｔ?Ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅ??ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｈｘ／?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ??圖１．４?ＣｄＳ單晶懸臂梁的機械振動：彎曲和扭曲［４５］。??由于非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)相似性，砷化鎵（ＧａＡｓ）單晶（１１１）面的光力學振動效??應被報道［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。就??５??

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