TiO2和WO3的氧空位調控及其光電磁學特性

本書根據國內外近年來氧化物半導體特別是TiO2和WO3的氧空位調控及其光學、電學和磁學特性的研究進展，結合作者的研究成果撰寫而成。本書系統介紹了采用離子注入、水熱法和真空退火等技術方法，通過對TiO2和WO3氧空位缺陷的分布、濃度的調控，進而實現對光學、電學和磁學性質的調制，獲得更為理想的鐵磁性能和表面增強拉曼光譜性能。對進一步掌握稀磁半導體自旋電子學器件和表面增強拉曼光譜半導體基底材料的性能調控技術具有實際意義，可實現兩種氧化物半導體的鐵磁和表面增強拉曼光譜性能的顯著提升，為其它材料改性和新材料設計提供依據。

隨著社會不斷向前發展，環境污染和能源短缺問題日益凸顯，嚴重影響了人們的生活和制約著社會的可持續發展。金屬氧化物半導體材料具有許多獨特的光學、電學和磁學性質，在環境監測與治理、清潔能源開發及信息存儲等方面具有重要的應用價值。
對金屬氧化物半導體的研究主要包括以下三個方面。其一，對污染排放物的檢測分析技術，其開發對于治理和預防污染至關重要。表面增強拉曼散射光譜技術可以對食品添加劑、農藥、化工排放物等進行快速而靈敏的檢測分析。具有表面增強拉曼散射效應的半導體材料憑借廉價、穩定、生物兼容性好等優勢，有望替代商用貴金屬，具有巨大的應用潛力。然而，目前它們的檢測靈敏度相比貴金屬仍然較差。其二，太陽能轉化利用，開發清潔可再生能源是解決能源與環境問題的根本途徑。太陽能具有分布廣泛、方便獲取、對環境無污染、取之不盡用之不竭等優點，對它的研究引起了學術界和工業界的廣泛重視。利用太陽能驅動半導體催化劑分解水制備氫氣是太陽能獲取與轉化的有效手段之一。然而，當前所用到的半導體材料的能源轉化效率仍然較低，這是由于光電轉化效率較低導致的。其三，稀磁半導體的發現為新型信息儲存器件的發展帶來了希望。自有研究者發現摻雜Co的TiO2具有室溫鐵磁性后，又有研究者發現未摻雜的純TiO2依然具有室溫鐵磁性。雖然眾多研究者對稀磁半導體材料中室溫鐵磁性的本征性和非本征性理解各不相同，但稀磁半導體材料的本征室溫鐵磁性更助于探究室溫下的本征鐵磁性起源。
作為以上應用的重要候選材料，氧化物半導體TiO2和WO3已得到了各國研究者的廣泛關注。然而，TiO2和WO3的光學、電學和磁學性質與其內部的缺陷成分密切相關，尤其是氧空位缺陷。因此，針對TiO2和WO3，開展基于氧空位缺陷調控研究來改善其光學、電學和磁學性質具有重要意義。
本書系統介紹了采用離子注入、水熱法和真空退火等技術方法，通過對TiO2和WO3氧空位缺陷的分布、濃度的調控，進而實現對光學、電學和磁學性質的調制，獲得更為理想的鐵磁性能和表面增強拉曼光譜性能。該研究成果對進一步掌握稀磁半導體自旋電子學器件和表面增強拉曼光譜半導體基底材料的性能調控技術具有實際意義，可實現兩種氧化物半導體的鐵磁和表面增強拉曼光譜性能的顯著提升，為其他材料改性和新材料設計提供依據。
本書由河南科技大學鄭旭東著。本書的出版得到國家自然科學基金青年基金項目（項目批準號：11805051）的資助，在此表示感謝！
由于作者水平所限，不妥之處在所難免，懇請讀者批評指正。

著者

本書根據國內外近十幾年來氧化物半導體TiO2和WO3的氧空位調控及其光學、電學和磁學特性的研究進展，結合作者的研究成果撰寫而成，系統地介紹了采用離子注入、水熱法和真空退火等技術方法，通過對TiO2和WO3氧空位缺陷的分布、濃度的調控，進而實現對光學、電學和磁學性質的調制，獲得更為理想的鐵磁性能和表面增強拉曼光譜性能。本書主要內容包括TiO2和WO3的研究現狀、摻雜和氧空位缺陷調控技術以及氧空位對TiO2和WO3的表面增強拉曼光譜、電學和鐵磁等方面性能的影響研究。
本書可供從事半導體材料和器件方面研究的專業人員使用，也可作為大中專院校相關專業師生的參考書。

第1章緒論001
1.1氧化物半導體TiO2和WO3的概述003
1.1.1TiO2 和WO3 的晶體結構003
1.1.2半導體材料光電響應機理006
1.1.3TiO2 和WO3 的應用、性能與研究現狀009
1.1.4半導體材料光電性能影響因素與改善策略014
1.2TiO2和WO3中的缺陷017
1.2.1氧空位缺陷類型017
1.2.2氧空位對TiO2 和WO3 物理化學性能的影響017
1.3富含氧空位缺陷TiO2和WO3的研究現狀024
1.3.1富含氧空位缺陷TiO2 和WO3 的磁學性能024
1.3.2富含氧空位缺陷TiO2 和WO3 的表面增強拉曼性能025
參考文獻026

第2章TiO2和WO3薄膜制備方法與實驗方法045
2.1薄膜的制備方法047
2.1.1濺射法制備WO3 薄膜047
2.1.2水熱法制備TiO2 納米薄膜052
2.2TiO2和WO3氧空位缺陷的調控方法053
2.2.1氫熱處理法053
2.2.2金屬和非金屬離子摻雜法054
2.2.3反應條件驅動法054
2.2.4高能粒子轟擊法055
2.2.5缺氧條件下熱處理法056
2.3實驗方法057
2.3.1掃描電子顯微鏡057
2.3.2透射電子顯微鏡058
2.3.3吸收光譜058
2.3.4拉曼散射譜059
2.3.5X 射線光電子能譜060
2.3.6X 射線衍射譜060
2.3.7電阻率測試061
2.3.8霍爾效應測量系統062
2.3.9綜合物性測量系統063
2.3.10基于SERS 效應的分子檢測063
2.4第一性原理計算方法064
參考文獻067

第3章離子注入誘導氧空位對WO3薄膜電導率的影響075
3.1概述077
3.2實驗過程079
3.3結果與討論080
3.3.1離子注入模擬080
3.3.2樣品微結構081
3.3.3SEM 圖082
3.3.4電阻率083
3.3.5XPS 圖譜086
參考文獻088

第4章Ar+ 輻照WO3薄膜中氧空位增強的室溫鐵磁性093
4.1概述095
4.2實驗過程096
4.3結果和討論097
4.3.1離子注入模擬097
4.3.2SEM 圖098
4.3.3XRD 圖譜099
4.3.4Raman 圖譜101
4.3.5AFM 圖102
4.3.6PL 圖譜103
4.3.7室溫磁學性能104
4.3.8XPS 圖譜105
4.3.9鐵磁性的機制107
參考文獻110

第5章W18O49納米線中缺陷引起的鐵磁性117
5.1概述119
5.2實驗過程121
5.3結果和討論122
5.3.1XRD 圖譜122
5.3.2SEM 和TEM 圖譜124
5.3.3XPS 圖譜125
5.3.4室溫磁學特性127
5.3.5EPR 圖譜128
參考文獻130

第6章富含氧空位的W18O49納米結構的光催化抗菌性能137
6.1概述139
6.2實驗過程140
6.3結果和討論141
6.3.1XRD 圖譜141
6.3.2SEM 和TEM 圖像142
6.3.3XPS 圖譜143
6.3.4EPR 圖譜145
6.3.5抗菌特性146
6.3.6抗菌機制146
參考文獻148

第7章熱處理制備具有高SERS 靈敏度的穩定非化學
計量WO3-x 薄膜153
7.1概述155
7.2實驗過程156
7.3結果和討論157
7.3.1XRD、Raman 和PL 圖譜157
7.3.2XPS 圖譜160
7.3.3EPR 圖譜164
7.3.4SERS 性能和機制165
7.3.5氧空位形成能計算168
參考文獻171

第8章真空退火增強TiO2納米棒薄膜的SERS 靈敏度177
8.1概述179
8.2實驗過程180
8.3結果和討論182
8.3.1SERS 性能182
8.3.2SEM 圖像184
8.3.3XRD、Raman、PL 和紫外可見吸收圖譜186
8.3.4XPS 圖譜189
8.3.5SERS 增強機制191
參考文獻193