钽铌酸钾一维纳米材料的取向控制及光电导效应研究

钽铌酸钾(KTa1-xNbxO3)具有优异的铁电、电光和非线性光学特性，在滤波、红外探测、光电开关等领域具有广泛的应用前景。本项目拟以KTa1-xNbxO3为研究对象，采用水热法研究介质碱度、温度、表面活性剂的种类和浓度等参数对产物形貌的影响，实现KTa1-xNbxO3一维纳米材料的尺寸和取向可控；利用缩合冷凝化学反应对KTa1-xNbxO3一维纳米材料进行表面原位聚合物修饰，研究材料的光电导特性，探讨聚合物修饰、温度、外电场以及环境气氛等对不同尺寸和取向KTa1-xNbxO3一维纳米材料中光生载流子产生和收集的影响规律，结合密度泛函理论建立一维纳米材料微观结构参数与光电导性能之间的对应关系，揭示其光电导效应物理机制。本项目的顺利实施有望进一步认识铁电纳米材料的尺寸和表面效应，为研制基于铁电纳米线的新型光电纳米器件提供理论基础和实验依据。

采用水热法在一定介质碱度，200℃条件下获得了纯相的钙钛矿结构钽铌酸钾纳米材料，通过控制表面活性剂的种类和浓度是实现了两种取向（如[001]和[110]）KTa0.25Nb0.75O3纳米棒的取向生长。从热力学和动力学角度初步探讨了KTa0.25Nb0.75O3纳米棒的形成过程，提出了取向附生的生长机制。由于(110)和(001)是正交相KTa0.25Nb0.75O3中能量最低的两种晶面，那么就可能存在两种晶面生长速率的竞争，即v[001]和v[110]。当v[001]>>v[110]时，获得的是[001]取向的KTa0.25Nb0.75O3纳米棒；当v[110]>>v[001]时，获得的是[110]取向的KTa0.25Nb0.75O3纳米棒。研究了KTa1-xNbxO3纳米材料的光吸收、室温Raman光谱和光催化特性。随着Nb含量的增加，KTa1-xNbxO3的吸收边发生红移，最大红移量约50nm，表明通过组分控制可调制KTa1-xNbxO3纳米材料的光学带隙；另外，KTa1-xNbxO3纳米材料中二级散射和表面态引起Raman振动模的减少和“蓝移”，随着组分中Nb含量的增加，产生了B位有序晶格振动模，杂质或无序态诱导的振动模消失；钽铌酸钾纳米棒的取向显著影响光催化的降解速率，发现[001]取向的纳米棒明显快于[110]取向。采用改进的低温水热工艺制备了尺寸分布均匀，具有四方钙钛矿结构KNbO3纳米线，发现KNbO3纳米线在室温下展现绿色发光现象，从相转变温度的明显变化表明KNbO3纳米线具有显著的尺寸效应；利用第一性原理密度泛函理论，计算了正交相KNbO3的电子结构和自发极化，并从理论上分析了介电常数随频率变化规律以及KNbO3极化产生的原因。此外，采用静电纺丝工艺实现了衬底上平行排列K1-xNaxNbO3多晶纳米纤维的制备，并获得了1.2V的电压输出。研究表明，输出的电压大小正比于应变的大小以及施加应力的频率。同时，在该电压的驱动下，Nb2O5单晶纳米线网络在室温下展现出显著的氢气敏感特性，为后续发展高灵敏和高选择性的复合能源转化室温氢气传感器奠定了前期基础。