论文部分内容阅读
近年来,诸多金属氧化物因呈现独特的性能及应用而广受关注,如多相光催化剂
TiO2被广泛用作环境污染物的降解;半金属铁磁体CrO2常作制备新型磁性记忆材料;金红石氧化物SnO2具备高效气敏性;而钙钛矿氧化物SrTiO3为新型铁电材料。另外,锰基氧化物如黑钙锰矿氧化物CaMn2O4为反铁磁体(TN=220K),其因Jahn-Teller畸变而呈现独特的磁学结构及超交换效应。研究表明,当颗粒度降低至纳米尺度,上述纳米金属氧化物呈现与其体相材料相异的结构及光学特性,如纳米TiO2晶格收缩或扩张(对SrFi03)、纳米Sn02的光学吸收峰蓝移等。此类纳米金属氧化物结构与光学特性的改变与纳米材料的特性如尺寸效应及表面界面效应相关联。
本文主要由X射线衍射谱、拉曼光谱、紫外.可见光吸收光谱以及第一性原理方法表征上述纳米金属氧化物的结构及光学特性,分以下五部分内容:
一、由时间分辨泵浦-探针方法以及LSDA+U方法研究半金属铁磁体CrO2的光诱导效应,发现光激发下CrO2半金属态的崩溃以及铬原子磁矩的减小,表明光诱导电子自旋无序。上述现象被归因于光激发半金属铁磁体CrO2的U/W值改变,其中U为电子库伦相互作用,而W为关联电子带宽。
二、由X射线衍射谱、拉曼光谱和紫外-可见光吸收光谱,研究不同浓度的银、硫、硼、氮、氟掺杂TiO2纳米颗粒的结构以及光学特性,发现:
(1)掺银TiO2纳米颗粒出现锐钛矿至金红石的相变、晶格扩张以及能隙Eg减小,其被归因于不同掺银浓度导致的锐钛矿和金红石相界面相互作用的不同。
(2)10％和50％掺硫TiO2纳米颗粒中金红石和锐钛矿相各占主要比重,且掺硫浓度增加导致吸收带蓝移,其与TiO2纳米颗粒中不同浓度硫的掺杂过程相关。
(3)掺硼(氮或氟)导致TiO2纳米颗粒锐钛矿晶格收缩及晶格畸变c/a值增大,其被归因于掺杂原子对TiO2纳米颗粒中氧原子缺位沿晶格c轴方向的占据。另外,掺硼(氮或氟)TiO2纳米颗粒的吸收带红移,与其晶格畸变的增大相关。
三、利用拉曼光谱以及紫外.可见光吸收光谱研究金红石氧化物SnO2纳米颗粒(3.5-43.5 nm)中NO2气体的吸附。结果表明,颗粒减小导致SnO2纳米颗粒表面态吸收的增强以及SnO2纳米颗粒中NO2气体吸附的增强。
四、利用拉曼光谱以及紫外.可见光吸收光谱研究SrTiO3纳米颗粒(10.80nm)的尺寸效应:颗粒减小导致晶格扩张、一阶拉曼模软化、能隙Eg增大及附加能级吸收增强,其被归结为STiO3纳米颗粒增强的表面缺陷偶极子导致的负压力效应。
五、由紫外.可见光吸收光谱和LSDA+U方法研究黑钙锰矿氧化物CaMn2O4纳米颗粒的光学特性和电子结构:CaMn2O4的四个光学吸收带:638nm(1.94eV)、512nm(2.42eV)、377nm(3.29eV)和248nm(5.0eV)分别对应于1.84eV(O2p↑→eg1↑)、2.56eV(O2p↓→eg1↑)、3.36eV(eg1↑→t2g3↓)和5.20eV(O2p↑→t2g3↓)的光诱导电荷转移跃迁,其中反铁磁体CaMn2O4的超交换相互作用和Jahn-Teller效应起重要作用。进一步,光催化实验结果表明紫外.可见光辐照下CaMn2O4可作为光催化剂降解AO7。