SnO_2/p~+-Si异质结器件的电致发光:利用TiO_2盖层提高发光强度

通过在重掺硼硅(p+-Si)衬底上溅射SnO2薄膜并在O2气氛下800℃热处理形成SnO2/p+-Si异质结.基于该异质结的器件可在低电压(电流)驱动下电致发光.进一步地,通过在SnO2薄膜上增加TiO2盖层,使器件的电致发光获得显著增强.这是由于TiO2盖层的引入,一方面使SnO2薄膜更加致密,减少了非辐射复合中心;另一方面TiO2较大的折射率和合适的厚度使SnO2薄膜电致发光的出光效率得到提高.     

溅射的Ti薄膜热氧化形成的TiO2薄膜与p+-Si形成的异质结的电致发光

利用磁控溅射法以不同条件在重掺硼硅片(p+-Si)上制备Ti薄膜,经过一定条件下的热氧化转化为TiO2薄膜,从而形成TiO2/p+-Si异质结.研究表明:要使TiO2/p+-Si异质结产生显著的电致发光,其中的TiO2薄膜必须呈现单一的锐钛矿相,这就要求在较低的功率下溅射获得晶粒尺寸较小的Ti薄膜.此外,TiO2的薄膜...     

La,V共掺杂的Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜的溶胶-凝胶法制备及性能测试

采用溶胶-凝胶(sol-gel)工艺在Pt/TiO2/SiO2/p-Si(100)衬底上制备出Bi4Ti3O12(BIT)和Bi3.25La0.75Ti2.97V0.03O12(BLTV)铁电薄膜,研究了La,V共掺杂对BIT薄膜的晶体结构和电学性能的影响.BIT薄膜为c轴择优取向,BLTV薄膜为随机取向,拉曼光谱分析表明V掺杂降低了TiO6(或VO6)八面体的对称性,也增强了Ti—O键(或V—O键)杂化.BLTV薄膜的剩余极化Pr为25.4μC/cm2,远大于BIT薄膜的9.2μC/cm2,表现出良好的铁电性能.疲劳、漏电流测试显示BLTV薄膜具有优良的抗疲劳特性和漏电流特性,表明La,V共掺杂能有效地降低薄膜中的氧空位.     

氧气含量对射频磁控溅射方法制备的NiO∶Cu/ZnO异质pn结的光电性能的影响

利用磁控溅射方法改变氧气含量制备了一系列NiO∶Cu/ZnO异质pn结。实验结果表明,氧含量对NiO∶Cu/ZnO异质pn结电学影响很大。相对于纯氩溅射,引入一定氧气(O2/(Ar+O2)比例为30%)后,NiO∶Cu/ZnO异质pn结的整流特性明显得到改善。与此同时,NiO∶Cu/ZnO异质pn结的光透过率也从40%增大到80%。这可能是由于氧气的轻量引入致使NiO∶Cu/ZnO异质pn结的结晶得到改善,薄膜内缺陷减少所致。进一步提高氧气含量,直到O2/(Ar+O2)比例至80%后,异质结的整流特性有所削弱,这可能是由于过多氧气的引入造成薄膜缺陷再次增多,进而影响到异质结的整流特性。这一结论得到了EDS、XRD、AFM和UV结果的支持。     

H_2O分子在锐钛矿型TiO_2(101)表面的吸附特性与微观机理

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法,模拟计算H2O分子在锐钛矿型TiO2(101)无氧空位和有氧空位表面的吸附行为,对吸附能、吸附距离、吸附前后表面电子态密度以及光学性质分别进行分析,结果表明:H2O分子在无氧空位锐钛矿型TiO2(101)表面不容易被吸附,在含有氧空位缺陷的表面容易被吸附;稳定吸附后,H2O分子平面垂直于TiO2表面;负电中心(O端)距空位越近,吸附越稳定,且氧空位浓度越高,吸附效果越明显;通过电子态密度分析发现,H2O分子吸附于含氧空位的表面后,由于H2O分子中O原子的2p孤对电子掺入,新峰值在费米能级附近出现,提高了材料在可见光低能区域的跃迁几率,明显改善了对可见光的吸收系数和反射率,光学气敏传感特性显著.     

Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池的研究进展

介绍了近年来低成本Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池方面的研究进展.应用于光伏器件的吸收层材料Cu_2O是直接带隙半导体材料,天然呈现p型;其原材料丰富,且对环境友好.Cu_2O/ZnO异质结太阳电池结构主要有平面结构和纳米线/纳米棒结构.纳米结构的Cu_2O太阳电池提高了器件的电荷收集作用;通过热氧化Cu片技术获得的具有大晶粒尺寸平面结构Cu_2O吸收层在Cu_2O/ZnO太阳电池应用中展现出了高质量特性.界面缓冲层(如i-ZnO,a-ZTO,Ga_2O_3等)和背表面电场(如p~+-Cu_2O层等)可有效地提高界面处能级匹配和增强载流子输运.10 nm厚度的Ga_2O_3提供了近理想的导带失配,减少了界面复合;Ga_2O_3非常适合作为界面层,其能够有效地提高Cu_2O基太阳电池的开路电压V_(oc)(可达到1.2 V)和光电转换效率.p~+-Cu_2O(如Cu_2O:N和Cu_2O:Na)能够减少器件中背接触电阻和形成电子反射的背表面电场(抑制电子在界面处复合).利用p型Na掺杂Cu_2O(Cu_2O:Na)作为吸收层和Zn_(1-x)Ge_x-O作为n型缓冲层,Cu_2O异质结太阳电池(器件结构:MgF_2/ZnO:Al/Zn_(0.38)Ge_(0.62)-O/Cu_2O:Na)光电转换效率达8.1%.氧化物异质结太阳电池在光伏领域展现出极大的发展潜力.     

沉积氧压对La0.8Sr0.2MnO3/0.7wt%Nb:SrTiO3异质结的整流伏安特性及输运性的调控

采用脉冲激光沉积法在(100)0.7wt%Nb:SrTiO3(NSTO)衬底上制备了La0.8Sr0.2MnO3(LSMO)/NSTO(100)异质结,仔细研究了原位沉积氧压和真空退火对LSMO/NSTO异质结的结构及其整流伏安特性的调控.X-射线线性扫描和原子力显微镜测量显示,低氧压制备的LSMO/NSTO(100)异质结具有良好的外延结构和平整的表面.电流-电压(I～V)曲线显示,沉积氧压为100mTorr的异质p～n结展现出极好的整流伏安特性;而氧压为240mTorr的异质p～n结平缓增加的电流可解释为异质p～n结在界面处晶格缺陷的增加.作为对比,沉积氧压调控的LSMO/SrTiO3(100)薄膜的输运性也被研究.电阻率结果显示,低氧压制备的LSMO薄膜,其电阻率的增加及金属-半导体转变温度Tp的降低归因于氧空位增加诱导的Mn4+离子减少及MnO6八面体的畸变.     

氧气后处理对氧化锌薄膜紫外发射性质的影响

为了提高ZnO光发射效率和制备p型ZnO,对热处理的氧分压对薄膜的结构、形貌、光致光发射和ZnO/Si异质结的Ⅰ-Ⅴ特性的影响进行了研究.用直流反应溅射法在p型硅衬底上生长ZnO薄膜形成n-ZnO/P-Si异质结.在1000℃下用不同比例的氧和氨热处理,我们发现,在纯氮气中得到的样品有强的紫外发射(390nm),随氧气比例增大,紫外增强,同时绿光也产生并随之增强.但过大的氧分压反而产生多的受主缺陷,使越来越多的激发能量转移到发射能量低的绿光中心,从而使紫外减弱.在纯氧和无氧条件下热处理的俄歇谱表明纯氧下氧过量,而无氧下锌大大过量.ZnO/p-Si异质结的Ⅰ-Ⅴ特性表明,无氧热处理表现为典型的n-ZnO/p-Si异质结;而在纯氧气氛中处理后所得Ⅰ-Ⅴ曲线反向,这表明在高氧压下受主缺陷的产生,表明ZnO薄膜有可能由于高氧压热处理由n型转为p型.     

硅基掺铒二氧化钛薄膜发光器件的电致发光:共掺镱的增强发光作用

在我们以前的工作(Zhu C, Lü C Y, Gao Z F, Wang C X, Li D S, Ma X Y, Yang D R 2015 Appl.Phys.Lett.107 131103)中,利用掺铒(Er)二氧化钛薄膜(TiO_2:Er)作为发光层,实现了基于ITO/TiO_2:Er/SiO_2/n~+-Si结构的发光器件的Er相关可见及近红外(约1540 nm)电致发光.本文将镱(Yb)共掺入TiO_2:Er薄膜中,显著增强了Er相关可见及近红外电致发光.研究表明,一定量Yb的共掺会导致TiO_2:Er薄膜由锐钛矿相转变为金红石相,从而使得Er~(3+)离子周围晶体场的对称性降低.此外,Yb~(3+)离子比Ti~(4+)离子具有更大的半径,这使TiO_2基体中Er~(3+)离子周围的晶体场进一步畸变.晶体场的对称性降低及畸变使得Er~(3+)离子4f能级间的跃迁概率增大.由于上述原因,Yb在TiO_2:Er薄膜的共掺显著增强了相关发光器件的电致发光.     

F原子吸附TiO_2:Mn(001)稀磁半导体薄膜电子结构和磁性的第一性原理计算

利用第一性原理方法计算Mn离子掺杂纯净TiO2(001)和F原子吸附的TiO2(001)薄膜的形成能、态密度和磁矩.F原子吸附明显降低TiO2∶Mn薄膜体系的形成能.F原子的吸附导致Mn离子的磁矩减小,而表面O原子的磁矩增大.表面O原子的磁矩主要来源于O原子p x和p y轨道的自旋极化,研究表明表面吸附F原子更有利于Mn离子的掺杂,在一定程度上有利于获得结构稳定的铁磁态半金属特性的TiO2∶Mn薄膜.     

H_2气氛退火处理对Nb掺杂TiO_2薄膜光电性能的影响

采用电子束沉积方法,以钛酸锶(SrTiO3)为衬底制备铌(Nb)掺杂TiO2薄膜并研究后续H2气氛退火处理对其薄膜样品光电性能的影响.结果发现H2气氛热退火处理能有效改善Nb掺杂TiO2薄膜的导电率,最佳电阻率达到5.46×10-3Ω·cm,在可见光范围内的透光率为60%—80%.导电性能的改善与H2气氛退火处理后多晶薄膜的晶粒尺寸变大和大量的氧空位形成及H原子掺杂有关.     

过渡金属Cu、Cr掺杂TiO2表面氧化性气体NO2光学气敏传感特性

采用密度泛函理论（DFT）体系广义梯度近似（GGA）第一性原理平面波超软赝势方法,分析锐钛矿型TiO₂（101）表面吸附NO₂分子光学气敏传感的微观机理.结果表明：Cu和Cr原子易于掺入TiO₂（101）表面,掺杂表面能稳定地吸附NO₂分子且吸附后光学性质发生显著变化.表面吸附NO₂分子后,Cu掺杂TiO₂（101）表面对分子的吸附能最大,吸附后结构更稳定,分子与表面的距离最短.通过分析差分电荷密度和电荷布居数发现,NO₂分子与基底表面间发生电荷转移,转移电子数目：Cu掺杂表面 > Cr掺杂表面 > 无掺杂表面.对比吸收光谱和反射光谱发现,在Cu掺杂表面吸附分子后,光学性质变化最明显,说明表面与吸附分子间氧化还原能力是决定光学气敏传感性能的核心因素.在过渡金属中,Cu与Cr都有4s价电子结构,其4s电子降低了材料表面氧空位的氧化性,增加了其还原性.对于氧化性气体,可以提升表面与分子的氧化还原作用,而Cu的4s电子更加活泼,从而光学气敏传感特性更加明显.因此,Cu掺杂的TiO₂对氧化性气体是一种较好的光学气敏传感材料.     

Cu掺杂SnO_2/TiO_2复合薄膜的制备及性能研究

制备Cu掺杂的纳米Sn O2/Ti O2溶胶,采用旋涂法在载玻片上镀膜,经干燥、煅烧制得Cu掺杂的Sn O2/Ti O2薄膜,通过对比实验探讨掺杂比例、条件、复合形式等对结构和性能的影响。采用XRD、SEM、EDS、UVVis等测试手段对样品进行表征,并以甲基橙为探针考察了其光催化降解性能。XRD测试结果显示薄膜的晶型为锐钛矿型,结晶度较高。SEM谱图显示薄膜表面无明显开裂,粒子分布均匀,粒径约为20 nm。EDS测试结果表明薄膜材料中含有Cu元素,谱形一致。UV-Vis吸收光谱表明Cu掺杂以及Sn O2/Ti O2的复合使得在近紫外区的光吸收比纯Ti O2明显增强。光催化实验表明Cu掺杂后使得Sn O2/Ti O2复合薄膜对甲基橙的光催化降解效率进一步提高,Sn O2/Ti O2复合薄膜的光催化活性在10%Cu掺杂时达到最高。     

Evidence for bicarbonate formation on vacuum annealed TiO2(110) resulting from a precursor-mediated interaction between CO2 and H2O

The reaction of CO₂ and H₂O to form bicarbonate (HCO⁻₃) was examined on the nearly perfect and vacuum annealed surfaces of TiO₂(110) with temperature programmed desorption (TPD), static secondary ion mass spectrometry (SSIMS) and high resolution electron energy loss spectrometry (HREELS). The vacuum annealed TiO₂(110) surface possesses oxygen vacancy sites that are manifested in electronic EELS by a loss feature at 0.75 V. These oxygen vacancy sites bind CO₂ only slightly more strongly (TPD peak at 166 K) than do the five-coordinated Ti⁴⁺ sites (TPD peak at 137 K) typical of the nearly perfect TiO₂(110) surface. Vibrational HREELS indicates that CO₂ is linearly bound at the latter sites with a ν_a(OCO) frequency similar to the gas phase value. In contrast, oxygen vacancies dissociate H₂O to bridging OH groups which recombine to liberate H₂O in TPD at 490 K. No evidence for a reaction between CO₂ and H₂O is detected on the nearly perfect surface. In sequentially dosed experiments on the vacuum annealed surface at 110 K, CO₂ adsorption is blocked by the presence of preadsorbed H₂O, adsorbed CO₂ is displaced by postdosed H₂O, and there is little or no evidence for bicarbonate formation in either case. However, when CO₂ and H₂O are simultaneously dosed, a new CO₂ TPD state is observed at 213 K, and the 166 K state associated with CO₂ at the vacancies is absent. SSIMS was used to tentatively assign the 213 K CO₂ TPD state to a bicarbonate species. The 213 K CO₂ TPD state is not formed if the vacancy sites are filled with OH groups prior to simultaneous CO₂+H₂O exposure. Sticking coefficient measurements suggest that CO₂ adsorption at 110 K is precursor-mediated, as is known to be the case for H₂O adsorption on TiO₂(110). A model explaining the circumstances under which the proposed bicarbonate species is formed involves the surface catalyzed conversion of a precursor-bound H₂O–CO₂ van der Waals complex to carbonic acid, which then reacts at unoccupied oxygen vacancies to generate bicarbonate, but falls apart to CO₂ and H₂O in the absence of these sites. This model is consistent with the conditions under which bicarbonate is formed on powdered TiO₂, and is similar to the mechanism by which water catalyzes carbonic acid formation in aqueous solution.     

染料敏化太阳能电池Sm~(3+)掺杂TiO_2下转换光阳极的制备及性能

用溶胶-水热法制备了Sm3+掺杂的Ti O2粉体(Ti O2∶Sm3+),将其按不同质量分数掺杂到P25基体中,制备了具有下转换功能的光阳极,并将其用于染料敏化太阳能电池中,提高了电池的光电性能。荧光光谱显示,Ti O2∶Sm3+粉体可以将紫外光转换为570~700 nm的可见光。当下转换光阳极中Ti O2∶Sm3+粉体的掺杂质量分数为80%时,短路电流密度达到13.12 m A/cm2,与纯P25光阳极相比,提高了26.5%,转换效率也提高了23.5%。     

缺陷TiO2中铁磁性的第一性原理计算

计算钛空位（V_Ti）和氧空位（V_O）共存情况下未掺杂金红石TiO₂的铁磁性.发现V_O可以产生局域磁矩,由它引起的自旋极化比V_Ti引起的更加局域,导致V_O之间的铁磁耦合作用弱于V_Ti之间的铁磁耦合作用.V_Ti之间的铁磁耦合在引入V_O之后进一步加强.V_O引入的电子调制两个分离的V_Ti之间的长程铁磁耦合.加入V_Ti之后,两个V_O的磁矩猝灭,当V_O的数量多于V_Ti的数量二倍时,V_O会对磁矩有贡献.结果与实验发现的V_O可以提高铁磁有序,并且总的磁矩会随着V_O数量的增多而增加的结果符合很好.     

基于一维TiO_2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

介绍了一种采用宽禁带半导体二氧化钛纳米管阵列薄膜材料制备β伏特效应同位素电池的方法.通过对金属钛片的电化学阳极氧化制备了垂直定向、有序排列的二氧化钛纳米管阵列薄膜,研究了退火条件对二氧化钛纳米管阵列薄膜半导体光电性能的影响.通过与镍-63辐射源的集成封装,形成三明治结构镍-63/二氧化钛纳米管阵列薄膜/钛片的β伏特同位素电池.实验结果表明,基于氩气氛围下450?C退火的黑色二氧化钛纳米管阵列薄膜具有高的氧空位缺陷浓度和宽的可见-紫外吸收光谱.在使用β辐射总能量为10 m Ci的镍-63辐射源时,同位素电池的开路电压为1.02 V,短路电流75.52 n A,最大有效转换效率为22.48%.     

基于Au/TiO_2/FTO结构忆阻器的开关特性与机理研究

采用简单的一步水热法在FTO导电玻璃上外延生长了锐钛矿TiO_2纳米线,制备了具有Au/TiO_2/FTO器件结构的锐钛矿TiO_2纳米线忆阻器,系统研究了器件的阻变开关特性和开关机理.结果表明,Au/TiO_2/FTO忆阻器具有非易失的双极性阻变开关特性.同时,在103s的时间内,器件在0.1 V的电阻开关比始终保持在20以上,表明器件具有良好的非易失性.此外,器件在低阻态时遵循欧姆导电特性,而在高阻态时则满足陷阱控制的空间电荷限制电流传导机制,同时提出了基于氧空位导电细丝形成与断开机制的阻变开关模型.研究结果表明Au/TiO_2/FTO忆阻器将是一种很有发展潜力的下一代非易失性存储器.     

Impurity levels of iron-group ions in TiO2(II)

Photocurrent measurements on oxidized, single-crystal TiO₂ undoped and doped with V, Cr, Mn or Fe were made both before and after exposure to white light from a tungsten lamp; they revealed a band of states centered at 2.0 eV below the conduction-band edge E_c that appears to be the band of surface states active in the photoelectrolysis of water. They also revealed a band of bulk states extending from near the valence-band edge E_v to about 1.9 eV below E_c. The ESR signals from V⁴⁺, Cr³⁺ and Fe³⁺ ions in oxidized samples and from Mn³⁺ ions in reduced samples were measured before and after exposure to white and monochromatic light; changes in the ESR signal intensities allow placement of the V⁴⁺: d¹ level about 2.1 eV below E_c, the Cr³⁺: d³ level about 2.7 eV belo E_c, the Fe³⁺ level at or just below the valence band edge E_v which is 3.0 eV below E_c, the Fe²⁺ level approximately at E_c, the Mn³⁺ level about 1.9 eV below E_c. Comparison of experiments on oxidized and reduced samples suggests that the bulk states are associated with cation vacancies, and measurements with polarized light gave anisotropies that are qualitatively interpretable with a cation-vacancy model for the oxidized samples.