TiO2纳米管上负载纳米铁的制备及其光电性能研究

　　金属氧化物半导体作为一种重要的无机功能材料，在很多领域显示出广阔的应用前景。其中, 纳米TiO2 因其具有湿敏、气敏、介电效应、光电转换、光致变色及优越的光催化等性能, 同时价廉无毒、抗光腐蚀、催化活性高、氧化能力强、稳定性好而成为研究的热点, 使其在传感器、介电材料、自洁材料和催化载体等领域具有显著的影响,在太阳能电池、光催化污染物降解、水分解和生物体植入材料等高科技领域有着重要的应用前景。

　　多年来，在纳米二氧化钛颗粒、纳米二氧化钛薄膜等方面已开展了大量的研究工作，也取得了一些实际应用。近年来在该领域的一个新的进展是制备出TiO2 纳米管及纳米管阵列。1999 年Kasuga 等以金红石型TiO2 为前驱体，110℃高压下合成锐钛矿型TiO2 纳米管，2001 年Grime 等人在HF 溶液中通过阳极氧化法制备了均匀致密的TiO2 纳米管。与其它形态的TiO2 相比，TiO2 纳米管具有更大的比表面积和更高的吸附能力，在许多领域具有更广泛的应用前景。但由于作为宽带隙半导体（禁带宽度为3.23 eV），单纯的TiO2 材料仅在紫外光激发下才有明显效果，而且光量子效率不超过10%，对太阳光的利用效率极低，这极大地限制了各种TiO2 材料的产业化应用范围。研究表明，对单纯的TiO2 材料进行改性，提高其光催化、转化效率的有效途径,一是掺杂过渡金属，促使TiO2 的光吸收谱向可见光范围拓展；二是在TiO2 材料表面沉积贵金属颗粒（如Ag、Au、Pt 等）， 金属的功函数高于TiO2，金属颗粒附近的电子就会从TiO2 迁移到金属颗粒，这时由于在金属- 半导体接触区域产生肖特基势垒，势垒的存在降低了光生电子空穴的复合率，也就提高了电子空穴的分离效率。

　　沉积金属颗粒的方法很多，常见的有磁控溅射法和辐照合成法。辐照合成法作为制备纳米材料的一种新方法，在上世纪90 年代迅速发展起来，其又可分为高能射线辐照法、紫外辐照法、微波辐照法和核红外辐照法。其中电子束辐照法特别适合在水溶液中制备金属纳米团簇，具有常温常压操作、工艺简单、产率高等优点，已被应用于TiO2 薄膜材料的改性，提高了TiO2 薄膜光催化降解甲基橙的效率。但利用这些方法在TiO2 纳米管中沉积金属颗粒、尤其是贵金属以外的其它一些过渡金属颗粒以提高其光电转换能力方面的研究还很少。我们曾利用磁控溅射法制备了TiO2 纳米管阵列负载贵金属Au 颗粒结构，提高了TiO2 纳米管在紫外光下的光电转换能力。本文分别利用电子束辐照沉积和磁控溅射沉积两种方法，在TiO2 纳米管阵列上沉积过渡金属Fe纳米颗粒，研究比较不同制备方法得到的样品在紫外光和可见光照射下的光电效应。

3、结论

　　研究表明，利用磁控溅射沉积和电子束辐照沉积两种方式获得的TiO2 纳米管阵列负载过渡金属Fe 颗粒结构可以不同程度地提高TiO2 纳米管阵列在紫外光区域的光电响应能力，其中磁控溅射法的结果要好于电子束沉积方法，本论文所采用的实验条件中其光电流值与纯TiO2 纳米管阵列相比最大可提高到其2.3 倍。但所有样品在可见光下的光电流值都没有明显提高。SEM 观察发现两种方法得到的金属Fe 颗粒在纳米管阵列表面都出现一定的团聚生长情况，电子束辐照沉积方式下更加明显，Fe 颗粒团聚成膜，尺寸长大并部分遮盖TiO2 纳米管。这可能是电子束辐照沉积样品光电流值明显小于磁控溅射沉积样品的一个主要原因。

　　【作者】 梁宏； 廖斌； 吴先映； 李强； 王桂岳； 刘安东；

　　【Author】 LIANG Hong1,2,LIAO Bin1,2,WU Xian-ying1,2,LI Qiang1,2,WANG Gui-yue3,LIU an-dong1,2(1.The Key Laboratory of Beam Technology and Material Modification of Ministry of Education,College of Nuclear Science and Technology,Beijing Normal University,100875 Beijing,China;2.Beijing Radiation Center,100875,Beijing,China;3.Bite Vacuum Technology Co.,LTD.,Longkou City,Longkou 265702,China)

　　【机构】 北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室北京师范大学核科学与技术学院； 北京市辐射中心； 龙口市比特真空技术有限公司；

　　【摘要】 采用阳极氧化法在钛金属表面制备出致密有序的TiO2纳米管阵列,分别利用磁控溅射和电子束辐照沉积技术在其上沉积Fe纳米颗粒以提高其光电性能。利用场发射扫描电镜观察两种不同技术制备的TiO2纳米管阵列负载纳米Fe结构的表面形貌。研究比较了不同制备方法得到的样品在紫外光和可见光照射下的光电效应。

　　【Abstract】 Dense and highly ordered Titania nanotube(TiNT) arrays were fabricated by electrochemical anodic oxidation.Then,the Fe nanoparticles were deposited on the surface of TiNT by both direct-current magnetic sputtering and electron beam irradiation processes separately to improve their opto-electronic performance.The surface morphology of the TiNTs prepared by the two different processes were characterized by SEM so as to investigate the photoelectric efficiency of the different samples comparatively under the irradiation of UV light and visible light.

　　【关键词】 TiO2纳米管； 磁控溅射； 电子束辐照沉积； 光电效应；

　　【Key words】 TiO2 nanotube； magnetic sputtering； electron beam irradiation； photoelectric efficiency；

　　【基金】 国家高技术研究发展计划(863)项目(2001AA338020)资助