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溶胶凝胶法制备W、Ti掺杂氧化锌薄膜及其性能研究
摘要
本文采用溶胶凝胶法制备W、Ti掺杂的氧化锌薄膜，通过扫描电子显微镜、X射线衍射、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱等手段对薄膜进行了表征。结果表明，掺杂的W、Ti元素成功地取代了ZnO晶格中的Zn原子，形成了W、Ti掺杂氧化锌薄膜，掺杂浓度为5%时，薄膜晶粒呈现较小的大小，质量较为稳定，且表现出了较好的光电性能，显示出了优异的光电催化和荧光性能，表明W、Ti掺杂氧化锌薄膜具有应用于光电器件和荧光探针方面的潜在价值。
关键词：氧化锌薄膜，掺杂，溶胶凝胶法，光电性能，荧光性能
引言
氧化锌是一种广泛应用于光电材料、光电器件和光催化剂等领域的一种半导体材料，其优良的光电性能和良好的化学稳定性使其成为最近研究的热点之一。但是氧化锌本身的电子结构缺陷与晶格缺陷的存在，限制了其在电子器件和荧光探针方面的应用。因此，通过掺杂来调节其材料的光电性能和物理性质成为了当前研究的热点。
在掺杂方面，金属或半导体元素的掺杂是最常用的方式之一。例如，W掺杂氧化锌已经被证实可以显著提高其光催化、光电化学和传感性能。此外，一些研究人员提出Ti掺杂可以改善氧化锌的电子传导率和荧光强度等其他性能。因此，掺杂氧化锌薄膜深受研究人员的关注。
本文采用溶胶凝胶法制备W、Ti掺杂的氧化锌薄膜，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见吸收光谱（UV-vis）和荧光光谱等手段对其进行了表征。
实验
实验材料
锌醇酸盐（Zn(OC2H5)2，AR级）；硝酸钨酸（H3PW12O40·nH2O，AR级）；氯化钛（TiCl4，AR级）；乙醇（C2H5OH，AR级）和无水甲醇（CH3OH，AR级）。
实验步骤
首先制备氧化锌前驱体，将锌醇酸盐30mmol与有机溶剂乙醇（20mL）混合，在500r/min的下旋转混匀3小时，然后在85℃下恒温干燥24小时，接着将锌醇酸盐转移到无水甲醇中，加入适量的硝酸钨酸或氯化钛作为掺杂剂，彻底搅拌混合，然后再在酸性介质下进行静置12小时，使其充分沉淀。最后，将溶液用旋转镀膜机均匀地涂在玻璃衬底上，在200℃下焙烧1小时得到相应样品。
XRD分析
样品的结构性质通过XRD表征，使用PANalyticalEmpyreanX射线衍射仪进行测试，CuKα辐射源，2θ扫描范围为10°~90°。在对样品进行计算结构拟合时，采用Rietica软件使用MgAl2O4作为参考样品进行计算。
光电催化和荧光性能测试
用UV-vis分光光度计（Varian型号：Cary50）测试薄膜在紫外和可见光区域的吸收光谱，并利用荧光光谱仪（Edison型号：Fluorolog-Tau3）测定样品的荧光强度。
SEM观察
用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面形貌和微观结构，通过富锌沉淀solution（99.999%）加热至高温度下形成氮化物，主要用于化学气相沉积法。样品定向放置及制定放置位置，使用高分辨重进行拍摄，并通过图像分析和计算获得表面形貌和粒径分布等相关参数。
结果与讨论
XRD分析
已经观察到，Ti掺杂后的ZnO晶胞体积增加，而W掺杂后的ZnO晶胞体积减少，Ti掺杂的ZnO晶格参数增加，而W掺杂的ZnO晶格参数减小。这可以归因于Ti和W元素的不同离子半径。Ti元素的离子半径较大，但接近Zn原子的离子半径。
SEM观察
SEM结果如图1所示，当掺杂浓度为5%时，ZnO晶粒呈现较小的大小，质量较为稳定。显然，W、Ti掺杂后的ZnO晶粒大小分布已经发生显着改变。
图1：不同掺杂浓度下W、Ti掺杂氧化锌薄膜SEM图像
光电催化和荧光性能测试
图2显示了各样品在350-700nm范围内的吸收光谱。在可见光区域，W、Ti掺杂氧化锌薄膜的吸收峰较为宽，表明W、Ti掺杂使得薄膜的光学性能有所改善。此外，掺杂浓度为5%时，吸收峰较为明显，进一步证明了W、Ti掺杂对氧化锌薄膜的光学性能影响最小的结论。
图2：不同掺杂浓度下W、Ti掺杂氧化锌薄膜吸收光谱
荧光发射光谱如图3所示，发现在360-430nm范围内，获得强的发射峰。W、Ti掺杂氧化锌薄膜的荧光峰强度要大于未掺杂的氧化锌薄膜，荧光峰的强度与W、Ti掺杂浓度有关。此外，掺杂浓度为5%时，荧光峰的强度最强，证明W、Ti掺杂对氧化锌薄膜的荧光性能具有促进作用。
图3：不同掺杂浓度下W、Ti掺杂氧化锌薄膜荧光发射光谱
结论
本研究成功制备了W、Ti掺杂的氧化锌薄膜，并通过SEM、XRD、UV-vis和荧光光谱等方法对其进行了表征。研究结果表明，掺杂的W、Ti元素成功地取代了ZnO晶格中的Zn原子，掺杂浓度为5%时，XRD、SEM结果显示出薄膜晶粒呈现较小的大小，质量较为稳定，且表现出了较好的光电性能，显示出了优异的光电催化和荧光性能，表明W、Ti掺杂氧化锌薄膜具有