周 悦, 吴 洁, 朱海霞

(盐城师范学院 物理与电子工程学院， 盐城 224051)

1 引 言

在金属氧化物半导体家族中，二氧化钛(TiO2)由于其化学热稳定性高、催化活性强、无毒等优点，已经被最广泛使用，如利用光照可以降解环境污染物、分解和净化水、实现光电转换等等. 然而，锐钛矿型TiO2的本征带隙为～3.2 eV，这意味着锐钛矿型TiO2只能被太阳光的紫外线激发，为了提高TiO2光电能量转换性能，如何调整TiO2的带隙值达到其理想状态下的～2.0 eV，实现可见光激发吸收，是许多实验和理论工作者感兴趣的问题. 而掺杂是一种最简单最有效的调节TiO2的带边和带隙值的方法之一[1-3]. 由于TiO2的价带顶主要是由O的p轨道构成，导带低主要是由Ti的d轨道构成，所以掺杂通常会选择那些p轨道能高于O-2p轨道能或d轨道低于Ti-3d轨道能，如N、S、B和C等非金属元和Mo，W，V和Cr过渡金属元素素[4-6]. 如C掺杂TiO2可显著改善TiO2的可见光吸收[7, 8]. 前人实验合成了C掺杂的TiO2，发现它促进了可见光的光催化活性，并在可见光区域显示出两个光学吸收峰[9]. 据报道，过渡金属元素Cr掺杂的TiO2也可以有效地增强可见光光催化活性，因为Cr-3d电子引入的局部间隙状态降低了TiO2的带隙[10]. 也有人使用组合溶胶-凝胶和水热法，合成测量Cr掺杂锐钛矿TiO2的体系，其中Cr原子取代Ti原子，增强了可见光吸收以及可见光光催化活性[11]. 然而非金属单掺会存在电子部分占据局域间隙态这一严重问题[7]，即这些带隙态易成新增的电子-空穴复合中心，直接减缓减少光生电子向TiO2表面迁移及……