摻雜對鉭基半導體光學及磁學性能的調控研究.pdf

1、近年來，利用太陽能光催化水解制氫產生清潔可替代能源對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大指導意義。半導體光催化劑作為實現(xiàn)從太陽能向化學能轉變的重要載體得到了廣泛關注。而鉭基半導體氧化物由于其產氫活性高、化學結構穩(wěn)定、耐酸堿等特性被廣泛應用于光催化和自旋電子學等領域的研究。由于該類型半導體氧化物的帶隙能都在3.8 eV-4.0 eV，其光響應范圍主要在紫外光區(qū)，對太陽光的利用率小，制約了半導體光催化劑在實際生產中的廣泛應用。離子摻雜是拓寬半導體光響

2、應范圍的一種行之有效的方法。因此本論文主要以鉭基半導體氧化物為研究對象，通過離子摻雜實現(xiàn)其光學帶邊的調控以及磁學性能的研究。具體研究結果如下：
　?。?）以TaN為反應源，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Ta2O5的帶隙從4.0 eV降低為2.2 eV，使其在可見光產生較強吸收。選取亞甲基藍為降解源，通過結晶度優(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的光催化降解

3、效率達到80％。
　?。?）以Ta2O5為反應源，在強堿性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構的納米復合物NaTaO3。在NaTaO3中摻雜金屬元素Fe一方面調控其光學帶隙以使其在可見光下有較強吸收，另一方面調控其磁學特性。紫外-可見光吸收測試結果表明，F(xiàn)e摻雜有效地改變了NaTaO3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。磁測量結果表明，摻

4、雜后的樣品在室溫下表現(xiàn)出明顯鐵磁性。這是因為Fe摻雜替代高化合價的Ta后，鄰近磁性原子通過氧位產生的雙交換與超交換耦合作用誘導了鐵磁性的產生。同時，摻雜導致的氧空位也是鐵磁性產生的另一個因素。
　　（3）以Ta2O5為反應源，在強堿性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-NaTaO3和Co-NaTaO3。結果表明Mn、Co摻雜也同樣能夠調控NaT

5、aO3的光學帶隙和磁學特性。UV-vis測試表明Mn和Co元素的摻雜可以使NaTaO3的吸收帶邊由紫外光區(qū)擴展到可見光區(qū)范圍，對應的帶隙能分別降到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；而樣品NaTa1-xCoxO3的鐵磁性則隨摻雜量的增多而逐漸減弱。
　　總之，我們采用水熱法制備了不同體系的鉭基半導體納米材料，通過自摻雜的方法制備出了具有高光催