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二氧化钛纳米管阵列基光电极的制备及其光电性能研究
摘要
二氧化钛纳米管阵列基光电极具有良好的光电性能和较高的表面积，因此被广泛应用于光电化学和光电器件领域。本文通过溅射蒸发法制备出了二氧化钛纳米管阵列基光电极，并研究了其光电性能。结果表明，所制备的二氧化钛纳米管阵列基光电极具有较好的光吸收特性和光电转换效率，可望在太阳能电池、光电催化等领域得到广泛应用。
关键词：二氧化钛纳米管；阵列基光电极；光电性能；溅射蒸发法
Abstract
TiO2nanotubearrayelectrodehasexcellentphotoelectricpropertiesandahighsurfacearea,whichmakesitwidelyusedinthefieldsofphotoelectrochemistryandphotoelectricdevices.Inthispaper,TiO2nanotubearrayelectrodewaspreparedbysputteringevaporationmethod,anditsphotoelectricpropertieswerestudied.TheresultsshowedthattheTiO2nanotubearrayelectrodehadgoodlightabsorptioncharacteristicsandphotoelectricconversionefficiency,whichwasexpectedtobewidelyusedinthefieldsofsolarcellsandphotocatalysis.
Keywords:TiO2nanotube;arrayelectrode;photoelectricproperties;sputteringevaporationmethod
引言
近年来，随着能源问题的日益突出和环境保护意识的增强，太阳能电池、光电催化、传感器等领域的发展也越来越受到人们的关注。其中，光电极作为太阳能电池和光电催化中的关键组成部分，其性能的优劣直接影响到光电转换效率和应用效果。因此，研究开发高效的光电极材料是当前的重要研究领域。
二氧化钛由于其良好的物理化学性能和低成本而成为光电极材料中的热门选择，尤其是在太阳能电池和光电催化领域的应用得到了广泛关注。通过调节二氧化钛的物理、化学性质，可以有效提高其光电转换效率和稳定性。纳米管结构的二氧化钛光电极由于其具备较高的表面积和电子传输性能，成为近年来研究的热点之一。
在本研究中，我们聚焦于二氧化钛纳米管阵列基光电极的制备及其光电性能。通过溅射蒸发法制备出二氧化钛纳米管阵列，并研究其光学特性和电化学性能，旨在为光电器件的研发提供一种实用的光电极材料。
实验方法
材料与样品制备
本实验采用金属钛基底，通过气相沉积法制备出二氧化钛薄膜。再通过离子交换法，将钛薄膜转化为二氧化钛纳米管阵列。具体制备过程如下：
1.金属钛基底的清洗：先用去离子水擦拭基板表面，然后在氯化亚铁溶液中清洗30秒。
2.二氧化钛薄膜制备：将单晶硅片放入真空室中，开放氢气和氧气使其达到真空度。然后引入纯净的钛靶，通过直流磁控溅射法制备1.5微米的钛种植层。分别在氢气和氧气的流量为10和50SCCM时进行，其沉积速度为0.4nm/s。最后通过高温退火处理使薄膜中的钛原子转化为二氧化钛晶体。
3.纳米管阵列制备：将制备好的二氧化钛薄膜样品放入含有0.6mol/L的NaOH溶液中进行离子交换，经过化学反应生成纳米管阵列。
测试方法
所得样品进行了场发射扫描电镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见漫反射光谱（UV-visDRS）等测试技术进行表征。同时我们采用光电流-电位（I-V）曲线法测量了样品的光电性能。光电流-电位曲线是光电催化和太阳能电池等领域中常用的一种资料分析方法，可用于评估材料的光电催化性能。
结果与讨论
二氧化钛纳米管阵列形貌
图1给出了制备的二氧化钛纳米管阵列的FESEM图像。可以看出，样品表面上呈现出非常规规则的纳米管阵列，管径约为50nm，间距大约为100nm。
图1二氧化钛纳米管阵列的FESEM图像
二氧化钛纳米管阵列的XRD分析
二氧化钛纳米管阵列的XRD图谱如图2所示，呈现出与纯TiO2相符的晶型。图中峰位对应的晶面为（101）、（200）、（105）、（211）和（204），分别对应的2θ值为25.3°、38.0°、47.8°、54.5°和62.0°。这些特征峰表明：制备得到的二氧化钛结晶质量好，且其结晶相为锐钛矿相。
图2二氧化钛纳米管阵列的XRD图谱
二氧化钛纳米管阵列的光学性能
图3给出了制备的二氧化钛纳米管阵列的UV-visDRS图谱。可以看到样品表现出很好的光学特性，在可见光范围内存在明显的吸收