Bi2Fe4O9納米晶光電轉(zhuǎn)換性能測(cè)量_畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)題目：Bi2Fe4O9 納米晶光電轉(zhuǎn)換性能測(cè)量學(xué)院：物理科學(xué)學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)1摘要可再生能源的日漸減少和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重作為人類在21 世紀(jì)面臨的最大困難，越來越多的關(guān)注，太陽能安全、清潔、取之不盡。于是，人們將目光紛紛投向了太陽能。而鉍鐵系化合物由于其特有的結(jié)構(gòu)、性能及廣闊的應(yīng)用前景得到各方面越來越多的關(guān)注，在可見光照射下，BiFeO3 薄膜、納米顆粒和單晶的光電性質(zhì)都已被報(bào)道。 本論文選擇 Bi2 49為研究對(duì)象， 分別以 NaOH和 NH4Fe OOH作為沉淀劑，利用共沉淀法制備出了純相249 納米晶，對(duì)Bi Fe O2 4O

2、9 納米晶進(jìn)行了XRD 表征和 SEM 分析，并對(duì)其光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行Bi Fe了研究。關(guān)鍵詞 Bi2 49光電轉(zhuǎn)換 共沉淀法Fe OAbstractAsthe 21st century, renewable energy and environmental pollution，whichget more and more attention，is reducing seriously. All kinds of renewable energy is also becoming increasingly superiority, and so, people will look to the

3、solar energy in succession. Bismuth ferrite is getting more and more attention owing to their peculiar structure, performance and broad application prospects. Photoconductivity photocurrentphotovoltaic effects observed in BiFeO3 thin films, nanocubes and plate-shaped crystals under visible-light irr

4、adiation, respectively. This paper chooses Bi2Fe4O9 as the research object, using a chemistry co-precipitation process（NH 4OH and NaOH ，as the precipitation agent） realized the pure phase Bi2Fe4O9 nanocrystalline preparation，then tests the Bi2Fe4O9 nanocrystals photoelectric conversion performance ，

5、 shows theX-ray diffraction (XRD) pattern and a typical scanning electron microscopy (SEM) micrograph of the nanocrystals.of the Bi2Fe4O9 nanocrystals.Key wordsBi2Fe4O9, photoelectric, co-precipitation process目錄摘要.I前言.1第 1 章緒論 .21.1光電效應(yīng).21.1.1光電效應(yīng)概述 .21.1.2光伏發(fā)電的原理 .21.2光電材料的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) .31.2.1硅太陽能電池 .31

6、.2.2多晶體薄膜電池 .41.2.3納米晶電池 .41.3鐵酸鉍的性質(zhì)和應(yīng)用 .51.3.12 49 基本性質(zhì)及研究現(xiàn)狀.5Bi Fe O1.4共沉淀法合成概述 .61.4.1共沉淀法合成機(jī)理 .61.4.2共沉淀法合成特點(diǎn) .61.5本文主要研究內(nèi)容 .8第 2 章Bi249 納米晶的制備工藝與表征 .9Fe O2.1實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)器材 .92.1.1實(shí)驗(yàn)原料 .92.1.2實(shí)驗(yàn)器材 .92.2249 納米晶的共沉淀法制備.10BiFe O2.3249 納米晶的表征 .錯(cuò)誤！未定義書簽。BiFe O2.3.1X 射線衍射（ XRD ） .錯(cuò)誤！未定義書簽。2.3.2電子掃描電鏡（ SEM

7、） .112.4249 納米晶的光電特性 .11BiFe O2.4.1實(shí)驗(yàn)裝置 .112.4.2光電極的制備 .12第 3 章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 .錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1XRD 分析表征.錯(cuò)誤！未定義書簽。3.2SEM 分析不同焙燒溫度對(duì)樣品微結(jié)構(gòu)的影響 .錯(cuò)誤！未定義書簽。3.3249 納米晶的光電轉(zhuǎn)換性能.錯(cuò)誤！未定義書簽。BiFe O結(jié)論.錯(cuò) 誤！未定義書簽。致謝.錯(cuò) 誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn) .錯(cuò) 誤！未定義書簽。前言現(xiàn)在，利用光電材料將太陽能轉(zhuǎn)換為電能從而換來更多綠色，無盡的能源受到了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的金屬氧化物，如二氧化鈦和氧化鋅都已被廣泛的研究 4,5。然而，由于其相對(duì)較寬的帶

8、隙（一般為3.2eV），這些材料只能在紫外線光照射下才能被響應(yīng)。因此，有必要探索一種具有相對(duì)窄的帶隙，在可見光范圍內(nèi)或附近具有良好光電轉(zhuǎn)換性能的新型材料。由于在信息存儲(chǔ)，自旋電子學(xué)和傳感器上的廣泛應(yīng)用，到目前為止， BiFeO3的多鐵性已經(jīng)得到了廣泛的研究14,15 。近年來，發(fā)現(xiàn)BiFeO3的帶隙較窄（ 2.2-2.8 eV），這給人們提供了一種在可見光區(qū)利用太陽能的機(jī)會(huì)。在可見光照射下， BiFeO3 薄膜，納米粒子和單晶的光電性質(zhì)都已被研究并報(bào)道1-3。而另一種應(yīng)用廣泛的鐵酸鉍 Bi2 4 9可用來制作半導(dǎo)體氣體傳感器和催化劑，將氨氧Fe O化為 NO 6,7。已有文獻(xiàn)報(bào)道 Bi2 4

9、9 的帶隙在 2eV 左右8，因而249也能Fe OBi Fe O有效吸收太陽光，在光催化和光電轉(zhuǎn)換的應(yīng)用上引起人們更多的注意。據(jù)報(bào)道，2 49 納米片（ 25-35 納米厚）和納米帶（ 80-100 nm 厚）在可見光區(qū)都具有Bi Fe O良好的催化活性 8.9。然而，到目前為止，仍然沒有有關(guān)Bi2 4 9 納米晶光電轉(zhuǎn)Fe O換的研究報(bào)告。在目前為止，單相純凈 Bi2Fe4O9的制備仍舊相對(duì)困難，有關(guān)Bi2Fe4O9微觀性質(zhì)與應(yīng)用研究工作也受到阻礙。目前，如水熱法，溶膠 - 凝膠法和固相反應(yīng)法問題，比如需要在比較苛刻的條件下完成，需要利用揮發(fā)性強(qiáng)有機(jī)溶劑，高溫，大尺寸，所需產(chǎn)品的收益率差等

10、。因此，研究出一種簡單，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的技術(shù)合成單相純凈的 Bi2Fe4O9仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。相比之下，共沉淀法簡單，經(jīng)濟(jì)，且可以大批量生產(chǎn)。 據(jù)我們所知，還沒有通過化學(xué)共沉淀法合成單相 Bi2Fe4O9納米晶的相關(guān)報(bào)道。在此論文中，包括了目前各種光電材料的一些研究現(xiàn)狀，共沉淀法的簡單介紹，利用共沉淀法制備純相 Bi2Fe4O9納米晶體，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并對(duì)其光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了測(cè)量。第1章緒論1.1光電效應(yīng)1.1.1光電效應(yīng)概述光電效應(yīng)：光照射到某物質(zhì)上，引起該物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能這類光致電變的現(xiàn)象。這是 1887 年赫茲在研究麥克斯韋電磁理論的實(shí)驗(yàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的， 1

11、888 年，德國物理學(xué)家霍爾瓦克斯證實(shí)這是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)荷電體的緣故，到了 1899 年， JJ湯姆孫通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)這樣的荷電體系統(tǒng)研究，并且命名為光電效應(yīng)。 1905 年，愛因斯坦在關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)一文中，用光量子理論對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了全面的解釋，直到 1916 年，美國科學(xué)家密立根通過精密的定量實(shí)驗(yàn)證明了愛因斯坦的理論解釋，從而也證明了光量子理論1.1.2光伏效應(yīng)的原理光伏效應(yīng)是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光伏效應(yīng)首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。其原理是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，

12、依靠太陽能電池組件， 當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體物質(zhì) PN 結(jié)上，由于 P-N 結(jié)勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了比較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，它們各自向相反方向運(yùn)動(dòng)， 離開勢(shì)壘區(qū)， 使得 P 區(qū)有過剩的空穴， n 區(qū)有過剩的電子，結(jié)果 P 區(qū)電勢(shì)升高， N 區(qū)電勢(shì)降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。 光生電場(chǎng)一部分除抵銷勢(shì)壘電場(chǎng)之外，還使 P 型層帶正電，n 型層帶負(fù)電，在 p 區(qū)與 n 區(qū)的薄層之間產(chǎn)生所謂光生伏特電動(dòng)勢(shì)。如果在 P 型層和 n 型層分別焊上金屬引線，并接通負(fù)載，則外電路便會(huì)有電流通過

13、。如此可以形成的一個(gè)個(gè)電池元件，若把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能獲得具有一定的電壓、電流，輸出功率達(dá)幾十瓦到兩百多瓦的太陽能電池組件，這些太陽能電池組件再經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)即可組成太陽能電池方陣，此電池方陣就能夠輸出足夠功率供負(fù)載使用。圖 1-1 光伏效應(yīng)的物理機(jī)制 131.2光電材料的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)目前 , 太陽能電池產(chǎn)業(yè)得到了快速、 優(yōu)質(zhì)的發(fā)展， 但仍然主要存在著有兩個(gè)方面的問題 : 第一是價(jià)格問題 : 首先要研究出能穩(wěn)定獲得高效率且低成本的半導(dǎo)體光電材料。第二就是能利用低成本的工藝路線生產(chǎn)出光伏電池。從成本上講 , 太陽能電池仍然是目前常規(guī)能源中成本最高的。 當(dāng)前的成本對(duì)比如下 (表 1-1)

14、:能源形式成本（ fKW H）煤天然氣石油風(fēng)能核能太陽能1-42,3-56-85-76-725-5017表 1-1 常規(guī)能源成本對(duì)比以下將介紹幾種熱門的太陽能電池的性質(zhì)和研究現(xiàn)狀。1.2.1硅太陽能電池硅太陽能電池按照結(jié)晶狀態(tài)可分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜電池、和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池是目前開發(fā)得最快的一種太陽能電池，其結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型 , 產(chǎn)品也已廣泛用于空間和地面。 單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 24.7% ，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)時(shí)的效率也可達(dá) 18% ，其在大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用中仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，但是由于單晶硅太陽能電池在工業(yè)生產(chǎn)中需要消耗

15、大量的高純度硅材料 , 而制造這些材料工藝較復(fù)雜 , 電耗很大，大幅度降低其成本也比較困難，所以為了節(jié)省單晶硅，也發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代品。多晶硅薄膜電池與單晶硅相比，成本低廉，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18% ，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率目前也已可達(dá)17% ，稍低于單晶硅太陽能電池，由于材料制造簡便, 節(jié)約電耗，因此也得到了一定的發(fā)展。非晶硅薄膜電池與單晶硅和多晶硅電池的制作方法不同, 其硅材料消耗少、電耗低。成本低重量輕。但非晶硅薄膜電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低 , 國際先進(jìn)水平也只為14.5% 左右 , 而且不夠穩(wěn)定, 常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象 , 這也制約著

16、非晶硅電池作為大型太陽能電源的發(fā)展。另外，各種光電材料的光響應(yīng)區(qū)間也顯得尤為的關(guān)鍵。如圖 1-2所示為單、非晶硅電池光伏響應(yīng)譜，可以看出單晶硅的光譜響應(yīng)靈敏度峰值是在圖 1-2單、非晶硅電池光伏譜16圖 1-3 GaAs 異質(zhì)結(jié)的光伏譜181.2.2多晶體薄膜電池多晶體薄膜電池的最典型代表為砷化鎵（GaAs ） III-V化合物電池。GaAs 化合物材料具有十分理想的帶隙（1. 4 eV ），其光伏響應(yīng)譜（如圖1-3）所示，會(huì)受到太大的影響, 而且其光電轉(zhuǎn)換效率很高，約為 30% 。但是 GaAs化合物材料本身價(jià)格不菲，且有毒，適應(yīng)性很差，因而在很大程度上限制砷化鎵（ GaAs ） III-V

17、 化合物電池的普及。1.2.3納米晶電池TiO 2 納米晶體太陽能電池雖然已被廣泛的研究，其成本廉價(jià)、工藝簡單且性能穩(wěn)定。其光電效率目前可達(dá)10% ，制作成本僅為硅太陽電池的五分之一到十分之一，壽命能達(dá)到20年以上，不久的將來也許會(huì)逐步走上大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用中。而基于TiO 2 納米晶體的染料敏化電池也由于其較低的制作成本，使它具有很強(qiáng)的競爭力，能量轉(zhuǎn)換效率在12% 左右。但是 TiO 2納米晶體較寬的帶隙 （ 3.2 eV ）決定了其轉(zhuǎn)換效率較低，在可見光范圍內(nèi)幾乎沒有光響應(yīng)，如圖 1-4 。且只能吸收紫外光，圖 1-4 TiO 2納米晶在不同溫度下的光伏譜191.3鐵酸鉍的性質(zhì)和應(yīng)用由于特有

18、的結(jié)構(gòu)性能及非常廣闊的應(yīng)用前景，鉍鐵系化合物得到各方面越來越多的關(guān)注。鉍鐵系化合物本身具有多種結(jié)構(gòu)形式。研究最為廣泛的是 BiFeO 3， BiFeO 3具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，是目前為止在室溫下唯一同時(shí)具有鐵磁性和鐵電性的單相多鐵性材料，被稱為集鐵電性和鐵磁性優(yōu)點(diǎn)于一身的新型材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于信息儲(chǔ)存、傳感器、電容 -電感一體化器件和自旋電子器件等方面。同時(shí)已有研究發(fā)現(xiàn) BiFeO 3的禁帶寬度約為 2.1 eV ，其在可見光范圍及附近具有非常良好的光響應(yīng)曲線。納米級(jí)BiFeO 3的存在也可以大大增加 RhB 及 MO 的光降解速率，從理論上講，BiFeO 3 是理想的、在可20見光驅(qū)動(dòng)下的環(huán)境

19、友好型光催化劑。軟鉍礦 Bi25 FeO 40 的晶體結(jié)構(gòu)為無對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)，空間點(diǎn)群為123，其晶體結(jié)構(gòu)中存在著的大量的缺陷導(dǎo)致軟鉍礦 Bi25FeO 40具有非線性光學(xué)效應(yīng)和壓電效應(yīng)，在光傳導(dǎo)和可見光催化領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。1.3.1 Bi2 49 基本性質(zhì)及研究現(xiàn)狀Fe O而另一個(gè)典型的鉍鐵氧化物Bi 2Fe4O 9 ，早在上世紀(jì)60 年代，人們就通過中子衍射和 M?ssbauer譜測(cè)定了 Bi2Fe4O9的晶體結(jié)構(gòu)。如圖 1-5所示， Bi2Fe4O9 是正交結(jié)構(gòu)，空間群為 Pbam，晶格參數(shù)為 a=0.7965nm，b=0.844nm，c=0.5994nm，在常溫下它是順磁的，尼

20、爾溫度 T N=264 3K ，在尼爾溫度以下為反鐵磁相 21。它對(duì)乙醇和丙酮等氣體都具有良好的響應(yīng)可用作半導(dǎo)體氣敏傳感器22 。而 Bi2Fe4O9的催化性能，可以將氨氧化成為 NO ，這種基于鐵的鉍鐵系復(fù)合氧化物有可能代替現(xiàn)在普遍用的基于鉑，銠和鈀等的催化劑，這些物質(zhì)不但不能被回收而且價(jià)格昂貴 23。 YN SHAMIR 等人已經(jīng)通過中子衍射分析認(rèn)為 Bi2Fe409 在 80 K具有磁結(jié)構(gòu) 24。Liu等通過 PPMS 測(cè)試，在 l0K 觀測(cè)到了 Bi2Fe4O 9棒具有明顯的磁滯回線，材料表現(xiàn)出了鐵磁性 25。2008年 Pamaik等人報(bào)道了 Bi2Fe4O9陶瓷的電圖1-5 Bi2

21、Fe4O9結(jié)構(gòu)示意圖 28學(xué)性能，并在低溫測(cè)到了弱的鐵磁性，又測(cè)到了鐵電性26。 Patnaik等人還在Bi2 Fe4O9陶瓷中觀測(cè)到了比較明顯的磁電耦合效應(yīng)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于研究Bi2Fe4O9材料具有很重要的意義。然而， Park 等人報(bào)道并沒有發(fā)現(xiàn)其磁電耦合效應(yīng)，因此 Bi2Fe4O9 材料是否具有多鐵性還需要人們進(jìn)一步的研究和證實(shí)。迄今為止，已經(jīng)有多人成功的采用水熱法，熔鹽法，氧化鋁模板法，溶膠凝膠法，共沉淀法等制備出了多種形貌的 Bi2Fe4O 9。雖然已被研究出來報(bào)道發(fā)現(xiàn)其帶隙在 2eV 左右，這也表明其在可見光范圍內(nèi)具有良好的光響應(yīng)，在光催化和光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域上的應(yīng)用也必將吸引來人們更多

22、的注意。但是，目前對(duì)Bi2Fe4O9的光電轉(zhuǎn)換性能的研究尚屬空白。1.4共沉淀法合成概述共沉淀法合成：是通過在原料溶液中添加適當(dāng)?shù)某恋韯?，讓原料溶液中的陽離 子形 成相 應(yīng)的 沉淀 物（沉淀顆 粒的 大小和形狀 由反應(yīng)條件來 控制），然后再經(jīng)過濾、洗滌、干燥、熱分解等工藝過程而獲得納米粉體的方法，依其沉淀方式可分為：直接沉淀法和均勻沉淀法兩種。1.4.1共沉淀法合成機(jī)理所謂化合物沉淀法：就是是溶液中金屬離子按化學(xué)計(jì)量比來配制溶液，得到化學(xué)計(jì)量化合物形式的沉淀物，這樣，當(dāng)沉淀離子的金屬元素之比等于產(chǎn)物化合物金屬元素之比時(shí)，沉淀物可以達(dá)到在原子尺度上的組成均勻性，對(duì)于二元以上金屬元素組成的化合物，

23、當(dāng)金屬元素之比呈現(xiàn)簡單的整數(shù)化時(shí)，可以保證生成化合物的均勻性組合。共沉淀法的主要思想是使溶液由特定的離子分別沉淀時(shí)，共存于溶液中的其他離子和特定陽離子一起沉淀。 從化學(xué)平衡理論來看， 溶液的 pH 值是一個(gè)主要的操作參數(shù)。通常使用氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、草酸鹽等，這些物質(zhì)配成共沉淀溶液時(shí)，其 pH 值具有很靈活的調(diào)節(jié)范圍。從一般意義上說，讓組成材料的多種離子同時(shí)沉淀是很困難的。事實(shí)上，溶液中金屬離子隨 pH 值得上升，按滿足沉淀?xiàng)l件的順序依次沉淀， 形成單一的或幾種金屬離子構(gòu)成的混合沉淀物。從這個(gè)意義上講，沉淀是分別發(fā)生的。為了避免共沉淀方法本質(zhì)上存在分別沉淀的傾向，可以提高作為沉淀劑的氫氧

24、化鈉或氨水溶液的濃度，再導(dǎo)入金屬鹽溶液，從而使溶液中所有的金屬離子同時(shí)滿足沉淀?xiàng)l件，為保證均勻沉淀還可以對(duì)溶液進(jìn)行激烈的攪拌。這些操作可以在某種程度上防止分別沉淀的發(fā)生。但是，在使沉淀物相產(chǎn)物化合物轉(zhuǎn)變而進(jìn)行加熱反應(yīng)時(shí)，就很難控制其組成的均勻性。1.4.2共沉淀法合成特點(diǎn)目前，研究比較熱門的納米材料的制備方法大致可以分為以下幾種：水熱法、模板法、溶膠 -凝膠法、微乳法、激光誘導(dǎo)氣相沉積法、共沉淀法。這些方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1-2。其中水熱法制備納米材料的缺點(diǎn)在于其制備條件要求比較苛刻， 需要精確的控制 pH 值；模板法難以合成單晶結(jié)構(gòu)的多元氧化物；溶膠 -凝膠法制備得到產(chǎn)物形貌單一，在高溫下

25、做熱處理時(shí)有團(tuán)聚；微乳法本身成本較高，仍有團(tuán)聚問題，進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)目前有一定的難度；最后激光誘導(dǎo)氣相沉積法的問題在于其能耗高，粉體回收率低，花費(fèi)成本高，同樣難以進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用中。制備方法表 1-2 常見制備方法及優(yōu)缺點(diǎn)簡介優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)水熱法模板法溶膠 -凝膠法微乳法共沉淀法封閉反應(yīng)器水溶液加熱、加壓溶解、重結(jié)晶有納米孔洞的基質(zhì)材料中空隙為模板溶膠轉(zhuǎn)化干燥鍛燒控制微水池的尺寸來控制粉體大小兩種陽離子 +沉淀劑 pH 值 均勻的沉淀原料價(jià)廉低中溫液相能耗低產(chǎn)率高、均勻、純孔徑類型不同形態(tài)納米材料均勻、純、細(xì)多組分微粒設(shè)備簡單， 操作簡便同種原料， 多種制品裝置簡單 操作容易粒子均勻可控設(shè)備，操作

26、簡單成分均勻、 顆粒細(xì)小精確控制不同粒徑及形貌精確摻雜， 工藝環(huán)保高溫高壓下的合成太貴投資較大難合成單晶結(jié)構(gòu)的多元氧化物膠體性質(zhì)的顯著差異產(chǎn)物形貌單一成本費(fèi)用較高有團(tuán)聚問題分散性較差 清楚陰離子較復(fù)雜然而相對(duì)來說，共沉淀法主要的優(yōu)點(diǎn)在于：首先，共沉淀法的工藝簡單，對(duì)設(shè)備、技術(shù)要求都不太高；原料在離子狀態(tài)下進(jìn)行混合，比單純的機(jī)械混合法更加的均勻；制備樣品過程中不經(jīng)過球磨和預(yù)燒工藝，這減少了摻雜的機(jī)會(huì)；可以精確控制不同粒徑和形貌；計(jì)算成分較為簡單，顆粒度也可根據(jù)反應(yīng)條件進(jìn)行控制；制備得到的樣品粒度分布較窄，化學(xué)活性好，可以在較低的燒結(jié)溫度下進(jìn)行較為充分的固相反應(yīng)，從而得到較佳的顯微結(jié)構(gòu)。1.5本文

27、主要研究內(nèi)容鉍鐵系化合物材料擁有的特有的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其產(chǎn)生一些特定的性能決定了其具有非常巨大的研究價(jià)值。 本文將 Bi2Fe4O9納米晶作為研究對(duì)象， 具體開展以下工作；（ 1） 分別用 NaOH ，NH 4OH 作為沉淀劑， 利用共沉淀法合成純相 Bi2Fe4O9 納米晶體，觀察不同沉淀劑最后所得樣品的形貌差別；（ 2） 對(duì) Bi2 Fe4O9納米晶進(jìn)行 XRD 表征和 SEM 分析；（ 3） 研究 Bi2Fe4O9納米晶的光電特性，主要測(cè)試 Bi2Fe4O9 納米晶在光照射下的光電流密度 J的大小。第 2章Bi2Fe4O9 納米晶的制備工藝與表征2.1實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)器材2.1.1實(shí)驗(yàn)原料制備

28、Bi2Fe4O9 納米晶所需主要實(shí)驗(yàn)原料如下表所示：表 2-1實(shí)驗(yàn)原料試劑化學(xué)式純度分子量生產(chǎn)廠家硝酸鉍Bi(NO 3)3 5H 2O99.0%485.07天津博迪化工有 限 公司硝酸鐵Fe(NO 3)3 9H 2O98.5%404.00天津市致遠(yuǎn)試 劑 有限公司硝酸HNO 365-68%63.01煙臺(tái)雙雙化工 有 限公司氫氧化鈉NaOH96.0%40.00天津瑞金特有 限 公司氨水NH 4OH25-28%17.03煙臺(tái)三和化學(xué)試劑有限公司本實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純級(jí)的市售試劑，無需再提純。2.1.2實(shí)驗(yàn)器材電子天平：型號(hào) FA2104，稱量范圍 0 210 g，分度值 0.1 mg，上海恒平科

29、學(xué)儀器有限公司。真空干燥箱：型號(hào) DZF-6020 ，電源交流電壓 220 V 、 50 Hz，控溫范圍：室溫 250 ，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司。磁力攪拌器 1：型號(hào) HJ-3 。純水蒸餾器：型號(hào) SZ93-1，石英管加熱，二次蒸餾，出水量 1600 ml ，恒溫區(qū)長 200 mm，管子直徑 80 mm，硅碳棒發(fā)熱，洛陽市永泰試驗(yàn)電爐廠。超聲波清洗器：型號(hào) KQ-250DB ， 20 至 80 ，超聲時(shí)間 1480 min，昆山超聲儀器有限公司。數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱：型號(hào) 101， 40至 300，電壓 220V、50Hz，天津市北辰建工試驗(yàn)儀器廠。2.2Bi 2Fe 4O9 納米晶的共沉淀法制備

30、Bi2Fe4O9 納米晶的制備流程如圖2-1 所示，其具體制備過程為：按照化學(xué)式 Bi2Fe4O9中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量比 1:2，分別精確稱量 2 mol的 Bi(NO 3)3 5H 2O和 2 mol的 Fe(NO3)3 9H 2O倒入干凈的燒杯中，放在磁力攪拌器上，緩慢均勻的加入 HNO 3溶液，用磁力攪拌器攪拌1.5= n其中式中為 X 射線的波長，n 為任何正整數(shù)，d 為某一點(diǎn)陣的晶面間距。X 射線衍射儀由X 射線發(fā)生器、輻射探測(cè)器、測(cè)量電路、測(cè)角儀以及控制操作和運(yùn)行軟件的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，儀器的中心部分是測(cè)角儀，其結(jié)構(gòu)和光學(xué)原理圖如圖3-1 所示。 S 為 X 射線源，當(dāng) X 射線束

31、照射到試樣D 表面時(shí)，滿足布拉格關(guān)系的某些晶面的衍射線便形成一根收斂的光束，F(xiàn) 處的接收狹縫與計(jì)數(shù)管 C 共同安裝在支架 E 上，支架 E 可圍繞衍射儀軸旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)計(jì)數(shù)管 C 轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)即可接收到一根射線，計(jì)數(shù)管的角位置2可從刻度 K 上讀出。衍射儀的設(shè)計(jì)應(yīng)使試樣和探測(cè)器支架的角位置保持固定關(guān)系，當(dāng)試樣臺(tái)轉(zhuǎn)過角時(shí)，探測(cè)器支架必須轉(zhuǎn)過2 角，這就是試樣與計(jì)數(shù)器的連動(dòng)，常記為2，這種連動(dòng)關(guān)系保證了 X 射線在試樣上的入射角和反射角始終相等，而且等于衍射角的一半，這樣即可保證試樣中滿足布拉格關(guān)系的各晶面衍射線都能被探測(cè)器接收。當(dāng)試樣和計(jì)數(shù)器連動(dòng)時(shí)衍射儀就能自動(dòng)描繪出衍射強(qiáng)度隨2角的變化情況的衍

32、射圖樣。 XRD- 2 掃描模式可以用來分析薄膜的相組成及定性的分析晶體的取向，在 X 射線照射工程中，記錄裝置與樣品臺(tái)以2:1 的角速度同步轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證記錄裝置處于接受反射線的位置上。26圖 2-2測(cè)角儀原理： (a)測(cè)角儀結(jié)構(gòu)示意圖； (b)測(cè)角儀光學(xué)布置國 D8 ADVANCE ，Cu 靶 K 射線作為發(fā)射源。 波長為 1.5406?，掃描方式為2 方式，步長為 0.02。將測(cè)試的結(jié)果用 MDI Jade5.0 軟件進(jìn)行分析比對(duì)，并且根據(jù)分析結(jié)果判斷是否制備出純相 Bi2Fe4O9 納米晶。2.3.2電子掃描電鏡（ SEM ）掃描電子顯微鏡 (SEM) 是十分常見且應(yīng)用廣泛的表面形貌分析

33、儀器。 材料表面的微觀形貌是由高能量電子束從樣品表面 “激發(fā) ”出來的二次電子的信息反映出來的。由于儀器不需要電子穿過樣品，因此塊狀樣品也可以用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。電子掃描電鏡的放大倍數(shù)可以在20 20 萬倍之間連續(xù)調(diào)整；其視野大，景深大，成像立體，觀測(cè)表面細(xì)微結(jié)構(gòu)十分方便。掃描電子顯微鏡(SEM)可以觀察樣品的形貌和微結(jié)構(gòu)。本文中用日本電子 JSM-6930LV 型掃描電子顯微鏡 (SEM) 對(duì)鐵酸鉍樣品的形貌及微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察。2.4Bi2 4 9 納米晶的光電特性Fe O2.4.1實(shí)驗(yàn)裝置光電轉(zhuǎn)換性能測(cè)試采用三電極體系，在上海辰華的工作站（CHI 760 C ）上完成的，參比電極為

34、 AgAgCl 電極，對(duì)電極為鉑電極， 工作電極為用制備的材料在 ITO玻璃上制作的薄膜電極，電解液為0.5M NaSO4 ，所用的光源為PLS-SXE300 型氙燈（北京暢拓有限公司），功率為 300 W，用 420 nm 的濾波片濾去紫外光。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2.2 所示。圖 2-3 光電轉(zhuǎn)換性能測(cè)試裝置2.4.2光電極的制備要測(cè)量 Bi2Fe4 O9 納米晶的光電轉(zhuǎn)換性能，得先制備有Bi2Fe4O9 納米晶連接的光電極。首先，將樣品加少量水以及表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉放入瑪瑙研缽研磨均勻。 再將研磨過后的樣品均勻涂在導(dǎo)電玻璃片（ 1.51.5 cm）上，放入馬弗爐350燒 1 , Y. H

35、. Chu, M. Gajek, R. Ramesh,R. C. Rai, X.Xuand 3 T. Choi, S. Lee, Y. J. Choi, V. Kiryukhinand S.-W.Cheong,Science, 2009, 324, 63.4 A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 37, 238.5 A. J. Bard, J. Phys. Chem., 1982, 86, 1727 A. S. Poghossian, H. V. Abovian, P. B. Avakian, S. H. Mkrtchian and V. M. Ha

36、routunian, Sens. Actuators, B, 1991, 4, 545.8 Q. J. Ruan and W. D. Zhang, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 4168.9 S. M. Sun, W. Z. Wang, L. Zhang and M. Shang, J. Phys. Chem. C,2009, 113, 12826.10 J. T. Han, Y. H. Huang, X. J. Wu, W. W. B. Peng, W. Huang and J. B. Goodenough, Adv. Mater., 2006, 18, 2145

37、.11 Z. Yang, Y. Huang, B. Dong, H. L. Li and S. Q. Shi, J. Solid State Chem., 2006, 179, 3324.12 A. K. Singh, S. D. Kaushik, B. Kumar, P. K. Mishra,A. Venimadhav, V. Siruguri and S. Patnaik, Appl. Phys. Lett.,2008, 92, 132910.13 Meng Qin,Kui Yao,and Yung C.Liang,High efficient photovoltaics in 14J. Wang, J. B. Neato