Bi4Ti3O12鐵電納米材料的水熱-溶劑熱法可控合成及性能表征.pdf

1、鐵電納米材料具有優(yōu)良的物理、化學性質(zhì)，在高密度存儲器、納米發(fā)電機、納米傳感器、鐵電隧道結(jié)、探針陣列等方面有著廣闊的應用前景。而鐵電納米材料的奇特性能及應用與材料的形貌、尺寸有很大關系。因此，探索鐵電納米材料的可控制備條件及機理，對研究鐵電納米材料形貌與性能之間的關系具有重要意義，同時為鐵電納米材料應用領域的擴展提供可能性和依據(jù)。
　　本文針對鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構的Bi4Ti3O12鐵電納米材料結(jié)構復雜，可控制備困難的問題，利用水熱/溶

2、劑熱法，探索和設計制備工藝路線，詳細摸索了前驅(qū)體種類、礦化劑種類和濃度、表面活性劑、反應時間和溫度等因素對Bi4Ti3O12納米材料結(jié)構和形貌的影響。本論文的具體工作和相應結(jié)果如下：
　　1、基于共沉淀前驅(qū)體Bi4Ti3O12納米材料水熱制備及性能表征
　　采用共沉淀法制備水熱前驅(qū)體，經(jīng)過洗滌，去掉了前驅(qū)體中多余的離子，并系統(tǒng)研究了礦化劑種類和濃度、反應時間、反應溫度對Bi4Ti3O12納米材料結(jié)構形貌的影響。在一定的條件下

3、，得到了由納米片組成的Bi4Ti3O12空心球狀結(jié)構，通過分析不同時間得到的產(chǎn)物，推斷空心球的生長機制是Ostwald ripening。Bi4Ti3O12納米片空心球的X射線光電子能譜結(jié)果顯示納米片表面有氧空位和吸附原子，并且由于表面缺陷能級引起紫外-可見光吸收發(fā)生紅移。由透射電鏡暗場像觀察到納米片具有5-50nm的納米疇結(jié)構。由壓電力顯微鏡(PFM)測試得到的壓電回線和相圖，結(jié)果表明Bi4Ti3O12納米片有明顯的鐵電性，并且具有較

4、高的壓電系數(shù)(58pm/V)，這歸因于納米片的表面吸附引起的表面效應以及納米疇結(jié)構的貢獻。
　　2、不同形貌的Bi4Ti3O12納米結(jié)構的可控制備及性能表征
　　通過氨水沉淀法分別制備了鉍、鈦前驅(qū)體沉淀，系統(tǒng)研究了該體系下礦化劑種類和濃度、反應時間對Bi4Ti3O12納米材料結(jié)構和形貌的影響，得到了不同形貌的Bi4Ti3O12納米材料：納米片、薄片、納米帶、納米棒。分析了該體系的水熱反應機理，研究表明礦化劑有類似表面活性劑的

5、作用，可以選擇性吸附某些晶面，阻礙晶面生長，最終形成不同形貌的納米材料。性能表征發(fā)現(xiàn)制備的Bi4Ti3O12納米材料的紫外-可見光吸收峰略有紅移，是由于Bi4Ti3O12納米材料表面的缺陷能級引起的。由PFM測得的壓電回線和相圖可以看出Bi4Ti3O12納米片和薄片有明顯的鐵電性。
　　3、Bi4Ti3O12納米材料的溶劑熱制備及性能表征
　　采用共沉淀前驅(qū)體體系和溶液前驅(qū)體體系，并探討了溶劑種類和濃度、溶劑與水的比例(溶劑

6、比)、反應時間、表面活性劑等因素對Bi4Ti3O12納米材料結(jié)構和形貌的影響。得到了不同形貌的Bi4Ti3O12納米材料：薄片、多級結(jié)構、納米片。分析了溶劑熱反應機理，通過調(diào)節(jié)表面活性劑的濃度，對微觀結(jié)構和表面形貌的表征，發(fā)現(xiàn)陽離子表面活性劑的濃度對多級結(jié)構的生長和自組裝過程起著至關重要的影響。
　　4、不同形貌Bi4Ti3O12納米材料的光電性能
　　將以上水熱/溶劑熱法制備的Bi4Ti3O12納米材料組裝成染料敏化太陽能

7、電池(DSSC)，進行了光電性能表征。結(jié)果表明Bi4Ti3O12納米材料具有較高的光電活性，且納米材料的形貌特征如形狀、尺寸、晶面等對光電活性有較大的影響。暴露101晶面的Bi4Ti3O12納米片樣品組裝的DSSC得到的最高短路電流密度為5.02 mA cm2。通過表面原子排布圖分析101晶面顯露的Ti-O-鍵形成長鏈極大的提高了光生電子空穴對的傳輸，同時，交替排列的(Bi2O2)2+層和(Bi2Ti3O10)2層有利于光生電子空穴對的