CN115140765A - 一种在金红石型氧化钛（110）表面制备氧空位对缺陷的方法 - Google Patents

一种在金红石型氧化钛（110）表面制备氧空位对缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面化学技术领域，是一种在超高真空腔体里制备氧空位对为优势缺陷的金红石型氧化钛(110)表面的技术方法。往常在超高真空环境下研究模型光催化剂金红石型氧化钛的还原性(110)表面时，表面主要的缺陷是氧空位。当两个氧空位相邻时，形成化学性质更加活泼的缺陷结构即为氧空位对。氧空位对的性质和催化性能对于厘清光催化的机理研究有重要意义，值得仔细探索。我们发现，使用266nm的紫外激光照射还原性氧化钛(110)表面可以使得氧空位迁移形成氧空位对，甚至可以形成氧空位对为优势缺陷的表面，有利于对氧空位对的性质性能展开深入研究。

Description

一种在金红石型氧化钛（110）表面制备氧空位对缺陷的方法
技术领域
本发明属于表面化学技术领域，特别涉及一种在超高真空腔体里制备氧空位对优势的金红石型氧化钛(110)表面的技术方法。
背景技术
氧化钛是光催化领域的模型催化剂，它的研究是理性设计下一代光催化剂的基础。氧空位对是氧化钛表面的较为少见的一种点缺陷，但它的性质有助于我们更深入地理解氧化钛这种物质以及它的光催化机理。目前，制备氧空位对的技术较为稀缺。
往常在超高真空环境下研究模型光催化剂金红石型氧化钛的还原性(110)表面时，表面主要的缺陷是氧空位。当两个氧空位相邻时，形成化学性质更加活泼的缺陷结构即为氧空位对。氧空位对的性质和催化性能对于厘清光催化的机理研究有重要意义，值得仔细探索。虽然前人有工作证实利用热效应或者针尖操纵的方法诱导氧空位迁移可以在表面形成少量氧空位对，但是这些方法很难制备氧空位对为优势缺陷的表面。
发明内容
本发明属于表面化学技术领域，是一种在超高真空腔体里制备氧空位对为优势缺陷的金红石型氧化钛(110)表面的技术方法。我们发现，使用266nm的紫外激光照射还原性氧化钛(110)表面可以使得氧空位迁移形成氧空位对，甚至可以形成氧空位对为优势缺陷的表面，有利于对氧空位对的性质性能展开深入研究。
一种在金红石型氧化钛(110)表面制备氧空位对缺陷的的方法，
在超高真空腔体(真空度小于等于1×10-10mBar)里，使用波长为200-300nm(优选250-80nm，更优选266nm)的紫外激光照射还原性氧化钛(110)表面可以使得氧空位迁移形成氧空位对，甚至可以形成氧空位对为优势缺陷的表面。
使用266nm激光照射氧化钛(110)样品表面10分钟-1小时(优选10-20分钟)即可得到数目可观的氧空位对缺陷。
超高真空腔体的真空度小于等于1×10-10mBar。
光功率3-10mW(优选3-5mW，更优选3mW)。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点及有益效果：
1.激光照射即可产生大量氧空位对，这是针尖操纵法这种微观制备发难以做到的；
2.可以制备氧空位对占主流的表面，加热法也难以做到。
附图说明
图1为266nm激光光路示意图；
图2为STM腔立体光路示意图；
本发明实例可采用上述图1和图2的的光路，利用图1中的光路，激光器出光1064nm，经过KTP晶体(旁边的LBO晶体是355nm激光光路元件，此处不用)倍频，生成532nm光，在BBO晶体处再倍频，产生实验用的266nm的激光。266nm激光再经过图2所示的立体光路，从右侧进入扫描腔照射到中间的样品表面上，然后经样品反射，我们可以从左侧窗口观察光斑位置。
图3STM记录的从还原性氧化钛(110)表面(a)，到氧空位对开始形成(b)，再到氧空位对成为表面优势缺陷(c)的过程。方框内为氧空位，箭头指示的是方框内氧空位形成的氧空位对。
具体实施方式
该制备方法的需要使用金红石型氧化钛单晶(使用的样品是PrincetonScientific Corp公司提供的切面为(110)晶面的10×5×1mm3氧化钛单晶)，初始样品是白色透明的，这意味着样品缺乏氧空位。为获得氧空位缺陷，在基底真空(是指无操作时腔体能保持的真空)好于1×10-10mBar的超高真空腔体内进行样品的进一步处理。用2微安的溅射电流对样品进行10分钟溅射后，再用850K的温度退火20分钟，然后降温至室温，如此重复溅射、退火、降温过程800-1000轮后，样品表面逐渐变为蓝色(根据文献(Diebold,U.Thesurface science of titanium dioxide.Surface Science Reports 2003,48(5),53.)，在真空中退火会在氧化钛中引入氧空位缺陷，氧空位缺陷使得氧化钛单晶有多余的电子，这种方法制备的表面大约含有10％的氧空位缺陷(相对表面桥氧原子数目的值，氧空位即桥氧原子缺失形成的缺陷)，被称作还原性氧化钛表面，这种改变也反映在晶体颜色上的改变。与之相应的，若是在氧气气氛下退火，则不会引入氧空位缺陷，得到的表面称为氧化性表面。)此时样品具有一定的导电性，可以利用扫描隧道显微镜(STM)对表面进行表征。处理后的还原性氧化钛(110)晶面的STM图见图3(a)。将光功率约3mW的266nm激光照射在氧化钛(110)表面上10min，氧化钛表面的氧空位就开始迁移形成氧空位对(图3(b))。累计光照1小时后，表面几乎没有单独的氧空位，全部以氧空位对形式出现，如图3(c)。

Claims (4)

1.一种在金红石型氧化钛(110)表面制备氧空位对缺陷的方法，其特征在于：
在超高真空腔体(真空度小于等于1×10-10mBar)里，使用波长为200-300nm(优选250-80nm，更优选266nm)的紫外激光照射还原性氧化钛(110)表面可以使得氧空位迁移形成氧空位对，甚至可以形成氧空位对为优势缺陷的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用266nm激光照射氧化钛(110)样品表面10分钟-1小时(优选10-20分钟)即可得到数目可观的氧空位对缺陷。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：超高真空腔体的真空度小于等于1×10-10mBar。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：光功率3-10mW(优选3-5mW，更优选3mW)。
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