Cr和C共摻TiO2的電子結構和光學性質的研究

周 悅, 吳 潔, 朱海霞

(鹽城師范學院 物理與電子工程學院， 鹽城 224051)

1 引 言

在金屬氧化物半導體家族中，二氧化鈦(TiO2)由于其化學熱穩定性高、催化活性強、無毒等優點，已經被最廣泛使用，如利用光照可以降解環境污染物、分解和凈化水、實現光電轉換等等. 然而，銳鈦礦型TiO2的本征帶隙為～3.2 eV，這意味著銳鈦礦型TiO2只能被太陽光的紫外線激發，為了提高TiO2光電能量轉換性能，如何調整TiO2的帶隙值達到其理想狀態下的～2.0 eV，實現可見光激發吸收，是許多實驗和理論工作者感興趣的問題. 而摻雜是一種最簡單最有效的調節TiO2的帶邊和帶隙值的方法之一[1-3]. 由于TiO2的價帶頂主要是由O的p軌道構成，導帶低主要是由Ti的d軌道構成，所以摻雜通常會選擇那些p軌道能高于O-2p軌道能或d軌道低于Ti-3d軌道能，如N、S、B和C等非金屬元和Mo，W，V和Cr過渡金屬元素素[4-6]. 如C摻雜TiO2可顯著改善TiO2的可見光吸收[7, 8]. 前人實驗合成了C摻雜的TiO2，發現它促進了可見光的光催化活性，并在可見光區域顯示出兩個光學吸收峰[9]. 據報道，過渡金屬元素Cr摻雜的TiO2也可以有效地增強可見光光催化活性，因為Cr-3d電子引入的局部間隙狀態降低了TiO2的帶隙[10]. 也有人使用組合溶膠-凝膠和水熱法，合成測量Cr摻雜銳鈦礦TiO2的體系，其中Cr原子取代Ti原子，增強了可見光吸收以及可見光光催化活性[11]. 然而非金屬單摻會存在電子部分占據局域間隙態這一嚴重問題[7]，即這些帶隙態易成新增的電子-空穴復合中心，直接減緩減少光生電子向TiO2表面遷移及……