TiO2Si復合材料的制備及其性能分析

陸迪　孔德龍　孫向博

摘 要：Si（硅）是一種比較常見的半導體材料，在許多個領域之中得到了廣泛的應用，如太陽能電池、光電材料等，并在這些領域之中發揮著非常重要的作用。但是，因為空氣折射系數與硅的折射系數兩者之間存在著非常大的差別，從而導致光波在界面處出現了比較嚴重的反射損失。為降低界面反射損失，必須在硅半導體材料的表面加鍍一層漸變層材料，且該漸變層材料的折射率應當處于1.0～3.5之間。TiO2，即鈦白粉，其折射率為2.73，且具有成本低、耐腐蝕、無毒、光催化活性較高、化學性能穩定以及氧化還原電位高等一系列的優勢，因此，其被看作是一種十分理想的光催化劑。

關鍵詞：TiO2/Si復合材料 制備 性能 光催化

中圖分類號：TM912.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0061-02

近年來，復合型催化材料憑借著其所具有的表面活性高、層間距大、孔徑大以及表面積較大等一系列優勢性能，在光學元件、電化學、光催化氧化等方面上展示出了良好的應用潛力與廣闊的應用前景，且已經成為了光催化材料領域的關注焦點與研究熱點。該篇論文通過開展實驗，對TiO2/Si復合材料的制備及其性能進行了分析。

1 實驗材料

首先，該研究所用實驗儀器及設備主要包括：（1）日本日立株式會社生產的掃描電子顯微鏡（S4800型）；（2）德國布魯克AXS公司生產的X射線衍射儀（D8型）；（3）北京暢拓科技公司生產的電化學工作站（CHFXM500W 型）；（4）北京普析通用儀器公司生產的紫外可見分光光度計（U1901型）。

其次，該研究所用實驗試劑主要包括：（1）鈦酸四丁酯；（2）丙酮；（3）氯仿；（4）乙醇；（5）37%濃鹽酸；（6）去離子水；（7）單晶硅。

2 實驗方法

首先，TiO2/Si復合材料的制備方法：（1）對單晶硅片進行切割，將其制成所需要的性狀、尺寸，然后使用乙醇、丙酮、氯仿以及水超聲對其進行清洗，清洗時間約為5 min；（2）將硅片放置在80 ℃的熱臺上進行15 min的親水處理，然后使用氮氣把經過處理的硅片吹干、待用；（3）配制乙醇溶液，濃度為0.01 mol/L鈦酸四丁酯，之后把硅片浸入乙醇溶液之后使其生長，一定時間時候將硅片取出吹干，就制成了表面附有TiO2的硅片；（4）將附有TiO2的硅片樣品垂直浸入反應釜中，反應釜中裝有混合溶液，即1 mL鈦酸四丁酯、2 mL濃鹽酸、2 mL去離子水，之后對其進行加熱，反應釜中溶液溫度至130 ℃為止，并保持4 h、8 h或者16 h，之后將其取出，使用氮氣吹干、待用。

其次，TiO2/Si復合材料的性能分析方法：第一，光電性能的測驗。其光電性能主要通過對TiO2/Si復合材料實施光電流測試來進行評估。具體如下，對電極為鉑片，工作電極為TiO2/Si復合材料，電解液是0.5 mol的硫酸鈉，光照光源為氨燈，使用電化學工作站，對TiO2/Si復合材料進行光電性能評估；第二，光催化性能的測驗。其光催化活性主要通過對亞甲基藍染料的降解來進行評估。具體如下，配制濃度為0.000 01 mol/L的亞甲基藍溶液，并將制備出的TiO2/Si復合材料放進石英燒杯，之后在石英燒杯中加入5 mL染料亞甲基藍溶液，在氨燈持續照射的狀態之下，每隔1 h就檢測一次樣品，檢測儀器為紫外可見光譜儀，檢測內容為亞甲基藍分子在663 nm處吸收峰的最大值，通過觀察染料亞甲基藍溶液的濃度變化，體現出TiO2/Si復合材料的光催化性能。

3 實驗結果與討論

通過開展實驗研究，對TiO2/Si復合材料的性能進行分析，發現其主要具備如下性能。

3.1 光電性能

該實驗檢測TiO2/Si復合材料的光電性能主要通過測試TiO2/Si復合材料樣品的光電流。如圖1所示，在TiO2/Si復合材料樣品表面無光照的前提下，TiO2半導體材料中的電子被局限在價帶中進行運動，所以在回路之中電子沒有出現定向運動，也沒有產生電流。而在TiO2/Si復合材料樣品表面有光照的前提下，電子受到了激發，從價帶直接轉移到了導帶，所以在回路之中產生了電流。TiO2/Si復合材料表面的光電流也會隨著施加電壓的加大而增加，當電壓到達1.5 V的時候，TiO2/Si復合材料表面的光電流就會達到15μA/cm3，而且未出現飽和區，充分表明在光照條件下，該研究所制成的TiO2/Si復合材料樣品具有較高的電荷分離效率。

3.2 抗反射性能

TiO2/Si復合材料的抗反射性能主要通過積分球反射光譜進行表征。從圖2可以看出，單純硅片的表面反射率大約為50%，在單純硅片表面復合TiO2后，其表面反射率降低到了10%。通過分析表面反射率降低的原因發現，主要是因為TiO2的折射率為2.73，該折射率介于空氣折射率與硅的折射率之間，因此，在光從空氣進入硅片的過程中，就會在表面的TiO2上出現一個漸變減緩的變化，也就是說，TiO2會作為一個比表面積較大的減反膜，起到減少入射光反射損失的效果。通過對光譜數據進行分析，可以看出，TiO2/Si復合材料的抗反性能良好。

3.3 光催化性能

TiO2/Si復合材料的光催化活性主要通過對亞甲基藍染料的降解來進行評估。由圖3可以看出，單品硅片對亞甲基藍染料有部分降解，但在處于相同時間的情況下，TiO2/Si復合材料對亞甲基藍染料的降解率明顯高于單純硅片對亞甲基藍染料的降解率。分析出現這種現象的原因，主要在于與單純硅片相比，TiO2/Si復合材料的比表面積更大、抗反性能更加優越，因此TiO2/Si復合材料對光的吸收較多，也就是說TiO2/Si復合材料的光催化性能更好。

4 結論

通過實驗研究得出以下結論。

（1）TiO2/Si復合材料因為P-n結效應，對光生電子-空穴對的復合起到了有效抑制的作用，從而使光電轉換效率得到了提高。

（2）與單品硅片相比，TiO2/Si復合材料的抗反射性能較好。

（3）因為TiO2/Si復合材料的比表面積較大、抗反性能良好、光電分離效率較高，因此，在模擬太陽光條件下，對染料亞甲基藍溶液的催化降解能力較為理想。

參考文獻

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