陆迪　孔德龙　孙向博

摘 要：Si（硅）是一种比较常见的半导体材料，在许多个领域之中得到了广泛的应用，如太阳能电池、光电材料等，并在这些领域之中发挥着非常重要的作用。但是，因为空气折射系数与硅的折射系数两者之间存在着非常大的差别，从而导致光波在界面处出现了比较严重的反射损失。为降低界面反射损失，必须在硅半导体材料的表面加镀一层渐变层材料，且该渐变层材料的折射率应当处于1.0～3.5之间。TiO2，即钛白粉，其折射率为2.73，且具有成本低、耐腐蚀、无毒、光催化活性较高、化学性能稳定以及氧化还原电位高等一系列的优势，因此，其被看作是一种十分理想的光催化剂。

关键词：TiO2/Si复合材料 制备 性能 光催化

中图分类号：TM912.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（b）-0061-02

近年来，复合型催化材料凭借着其所具有的表面活性高、层间距大、孔径大以及表面积较大等一系列优势性能，在光学元件、电化学、光催化氧化等方面上展示出了良好的应用潜力与广阔的应用前景，且已经成为了光催化材料领域的关注焦点与研究热点。该篇论文通过开展实验，对TiO2/Si复合材料的制备及其性能进行了分析。

1 实验材料

首先，该研究所用实验仪器及设备主要包括：（1）日本日立株式会社生产的扫描电子显微镜（S4800型）；（2）德国布鲁克AXS公司生产的X射线衍射仪（D8型）；（3）北京畅拓科技公司生产的电化学工作站（CHFXM500W 型）；（4）北京普析通用仪器公司生产的紫外可见分光光度计（U1901型）。

其次，该研究所用实验试剂主要包括：（1）钛酸四丁酯；（2）丙酮；（3）氯仿；（4）乙醇；（5）37%浓盐酸；（6）去离子水；（7）单晶硅。

2 实验方法

首先，TiO2/Si复合材料的制备方法：（1）对单晶硅片进行切割，将其制成所需要的性状、尺寸，然后使用乙醇、丙酮、氯仿以及水超声对其进行清洗，清洗时间约为5 min；（2）将硅片放置在80 ℃的热台上进行15 min的亲水处理，然后使用氮气把经过处理的硅片吹干、待用；（3）配制乙醇溶液，浓度为0.01 mol/L钛酸四丁酯，之后把硅片浸入乙醇溶液之后使其生长，一定时间时候将硅片取出吹干，就制成了表面附有TiO2的硅片；（4）将附有TiO2的硅片样品垂直浸入反应釜中，反应釜中装有混合溶液，即1 mL钛酸四丁酯、2 mL浓盐酸、2 mL去离子水，之后对其进行加热，反应釜中溶液温度至130 ℃为止，并保持4 h、8 h或者16 h，之后将其取出，使用氮气吹干、待用。

其次，TiO2/Si复合材料的性能分析方法：第一，光电性能的测验。其光电性能主要通过对TiO2/Si复合材料实施光电流测试来进行评估。具体如下，对电极为铂片，工作电极为TiO2/Si复合材料，电解液是0.5 mol的硫酸钠，光照光源为氨灯，使用电化学工作站，对TiO2/Si复合材料进行光电性能评估；第二，光催化性能的测验。其光催化活性主要通过对亚甲基蓝染料的降解来进行评估。具体如下，配制浓度为0.000 01 mol/L的亚甲基蓝溶液，并将制备出的TiO2/Si复合材料放进石英烧杯，之后在石英烧杯中加入5 mL染料亚甲基蓝溶液，在氨灯持续照射的状态之下，每隔1 h就检测一次样品，检测仪器为紫外可见光谱仪，检测内容为亚甲基蓝分子在663 nm处吸收峰的最大值，通过观察染料亚甲基蓝溶液的浓度变化，体现出TiO2/Si复合材料的光催化性能。

3 实验结果与讨论

通过开展实验研究，对TiO2/Si复合材料的性能进行分析，发现其主要具备如下性能。

3.1 光电性能

该实验检测TiO2/Si复合材料的光电性能主要通过测试TiO2/Si复合材料样品的光电流。如图1所示，在TiO2/Si复合材料样品表面无光照的前提下，TiO2半导体材料中的电子被局限在价带中进行运动，所以在回路之中电子没有出现定向运动，也没有产生电流。而在TiO2/Si复合材料样品表面有光照的前提下，电子受到了激发，从价带直接转移到了导带，所以在回路之中产生了电流。TiO2/Si复合材料表面的光电流也会随着施加电压的加大而增加，当电压到达1.5 V的时候，TiO2/Si复合材料表面的光电流就会达到15μA/cm3，而且未出现饱和区，充分表明在光照条件下，该研究所制成的TiO2/Si复合材料样品具有较高的电荷分离效率。

3.2 抗反射性能

TiO2/Si复合材料的抗反射性能主要通过积分球反射光谱进行表征。从图2可以看出，单纯硅片的表面反射率大约为50%，在单纯硅片表面复合TiO2后，其表面反射率降低到了10%。通过分析表面反射率降低的原因发现，主要是因为TiO2的折射率为2.73，该折射率介于空气折射率与硅的折射率之间，因此，在光从空气进入硅片的过程中，就会在表面的TiO2上出现一个渐变减缓的变化，也就是说，TiO2会作为一个比表面积较大的减反膜，起到减少入射光反射损失的效果。通过对光谱数据进行分析，可以看出，TiO2/Si复合材料的抗反性能良好。

3.3 光催化性能

TiO2/Si复合材料的光催化活性主要通过对亚甲基蓝染料的降解来进行评估。由图3可以看出，单品硅片对亚甲基蓝染料有部分降解，但在处于相同时间的情况下，TiO2/Si复合材料对亚甲基蓝染料的降解率明显高于单纯硅片对亚甲基蓝染料的降解率。分析出现这种现象的原因，主要在于与单纯硅片相比，TiO2/Si复合材料的比表面积更大、抗反性能更加优越，因此TiO2/Si复合材料对光的吸收较多，也就是说TiO2/Si复合材料的光催化性能更好。

4 结论

通过实验研究得出以下结论。

（1）TiO2/Si复合材料因为P-n结效应，对光生电子-空穴对的复合起到了有效抑制的作用，从而使光电转换效率得到了提高。

（2）与单品硅片相比，TiO2/Si复合材料的抗反射性能较好。

（3）因为TiO2/Si复合材料的比表面积较大、抗反性能良好、光电分离效率较高，因此，在模拟太阳光条件下，对染料亚甲基蓝溶液的催化降解能力较为理想。

参考文献

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