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光催化“记忆”效应可对氧化物晶体进行可逆的调控
2018-03-07  |          【 】【打印】【关闭

  通过材料设计,可通过施加外界激励使材料(如多孔金属、聚合物以及碳材料等)发生可逆的应变。这些外界激励可以是力学信号、电学信号或是磁学信号等。此现象为新型激励器、传感器、智能窗口等功能器件的设计提供了更为广阔的思路。光作为一种常见的外界激励,可诱发一些有趣的材料现象,比如光催化、光致变色、光致聚合等等。当采用光作为外界激励时,激励源无需与材料直接接触或是组合成回路,更便于器件的开发与设计。

  光催化“记忆”效应指的是光催化材料在光照条件下产生的高能光生电子与空穴,通过选择性地存储电子,在光照关闭后能够持续释放并产生活性基团,从而使其能在无光条件下较长时间保持活性。中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的李琦研究员团队近期的工作表明,光催化“记忆”效应不仅能用于全天候的绿色消毒技术领域,还可以用于对半导体氧化物的晶体调控上。他们通过钨掺杂的二氧化钛纳米管阵列材料体系很好地展示了他们对光与材料相互作用这一基本科学问题的见解。通过合金化结合阳极氧化的制备工艺可将钨元素均匀地高度掺杂进二氧化钛的晶格中,在紫外光的照射下,二氧化钛会产生光生电子与空穴,此时能级位置处于二氧化钛的禁带中间的钨离子可以有效的捕获光生电子,暂时性地将电子进行存储,随着电子的富集,钨离子的有效半径将会增大,从而使整个二氧化钛的晶格网络发生膨胀,当关闭光照,随着存储的电子慢慢地释放,钨离子的有效半径又会随之减小,最终使二氧化钛的晶格网络恢复原来的状态。在此过程中,光作为一种外界激励可促使二氧化钛发生可逆的晶体膨胀,同时二氧化钛在可见、红外以及太赫兹波段的光学特性也随之变化。他们的工作很好的证明了光催化“记忆”效应还可作为一种新的思路来设计新型的光学激励器、开关以及传感器,甚至是其他基于材料内在电子结构可逆变化的电学、磁学功能器件。

  该工作作为Editor’s picks于2月7日在线发表于Applied Physics Letters上(https://doi.org/10.1063/1.5019774)。该项研究工作得到了国家自然科学基金、沈阳材料科学国家(联合)实验室基础前沿创新项目的支持。

图1 钨掺杂的二氧化钛纳米管阵列的XRD衍射图谱(a),扫描、透射图(b)和元素分布图(c)。

图2 钨掺杂的二氧化钛纳米管阵列在光照前后的晶体变化。

图3 (a)钨掺杂的二氧化钛纳米管阵列的光致晶格膨胀现象机制示意图,(b)光照前后钨元素XPS高分辨精细谱图,(c)不同条件下钨掺杂的二氧化钛纳米管阵列的开路电压-时间曲线(OCPT)。

图4 光照前后钨掺杂的二氧化钛纳米管阵列的光学特性转变。

 

环境功能材料研究部

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