一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法

摘要

本发明涉及一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，属于光电化学水分解领域。该方法在样品固定板中放置掺杂氧化铁薄膜，然后对掺杂氧化铁薄膜进行脉冲激光退火处理；所述脉冲激光退火处理中，设置激光器的波长为355～600nm，激光脉冲能量为5～30mJ，激光脉冲次数为1～40次，得到激光退火处理后的掺杂氧化铁。本发明的激光退火方法能够激活掺杂原子，提高掺杂氧化铁的载流子浓度，进行激光退火处理后的掺杂氧化铁薄膜的光电流、电荷转移能力和传输能力明显提高。

权利要求

1.一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，其特征在于，包括以下步骤：在样品固定板中放置掺杂氧化铁薄膜，然后对掺杂氧化铁薄膜进行脉冲激光退火处理；

所述脉冲激光退火处理中，设置激光器的波长为450nm，激光脉冲能量为15或20mJ，激光脉冲次数为20次，得到激光退火处理后的掺杂氧化铁。

2.根据权利要求1所述的一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，其特征在于，所述掺杂氧化铁薄膜是由喷雾热解法、水热法、磁控溅射法、电沉积或旋涂法制备得到的。

3.根据权利要求1所述的一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，其特征在于，所述掺杂氧化铁薄膜是由喷雾热解法制备得到的：首先配制掺杂氧化铁的前驱体溶液，其中X:Fe的摩尔比为1:100～1:10，X为钛、锡、硅或锆元素，然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃～400℃，喷雾得到样品薄膜，然后将样品薄膜放入马弗炉内450℃～550℃退火30～60min，制备得到掺杂氧化铁薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，其特征在于，所述掺杂氧化铁薄膜的掺杂浓度为0.1％～10％。

5.根据权利要求1所述的一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，其特征在于，所述脉冲激光退火处理中的激光器为纳秒脉冲激光器。

说明书

一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电化学水分解领域，具体涉及一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法。

背景技术

[0002] 掺杂是一种简单有效提高氧化铁光电化学水分解性能的方法，较高的退火温度(>500℃)对于激活掺杂原子(有效替位掺杂)至关重要。然而，如何实现既能激活掺杂原子又不损伤衬底的导电性一直是光电化学领域掺杂半导体光阳极材料制备过程中亟待解决的问题。较高的退火温度以及较短的退火时间是提高掺杂的有效性以及保持衬底良好导电性的有效方法。由于传统的马弗炉退火条件下，掺杂的有效性受限，传统的热退火处理需要较高温度(>500℃)和较长时间(～30min)，而长时间的高温加热会破坏衬底的导电性，降低掺杂氧化铁的光电化学水分解性能。而激光退火的加热时间是纳秒级别，加热时间极短，可以在提高掺杂氧化铁性能的同时减少对衬底的破坏。截止到目前，未见有通过激光的方法对掺杂氧化铁进行退火处理，提高其光电化学水分解性能的报道。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，该处理方法能提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能。

[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

[0005] 本发明提供一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，包括以下步骤：

[0006] 在样品固定板中放置掺杂氧化铁薄膜，然后对掺杂氧化铁薄膜进行脉冲激光退火处理；

[0007] 所述脉冲激光退火处理中，设置激光器的波长为355～600nm，激光脉冲能量为5～30mJ，激光脉冲次数为1～40次，得到激光退火处理后的掺杂氧化铁。

[0008] 优选的是，所述掺杂氧化铁薄膜是由喷雾热解法、水热法、磁控溅射法、电沉积或旋涂法制备得到的。

[0009] 优选的是，所述掺杂氧化铁薄膜是由喷雾热解法制备得到的：首先配制掺杂氧化铁的前驱体溶液，其中X:Fe的摩尔比为1:100～1:10，X为钛、锡、硅或锆元素，然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃～400℃，喷雾得到样品薄膜，然后将样品薄膜放入马弗炉内450℃～550℃退火30～60min，制备得到掺杂氧化铁薄膜。

[0010] 优选的是，所述掺杂氧化铁薄膜的掺杂浓度为0.1％～10％。

[0011] 优选的是，所述脉冲激光退火处理中的激光器为纳秒脉冲激光器。

[0012] 优选的是，所述激光器的波长为400～550nm。

[0013] 优选的是，所述激光器的激光脉冲能量为10～20mJ。

[0014] 本发明的有益效果

[0015] 本发明提供一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，使用本发明中的激光处理方法，对掺杂氧化铁薄膜进行退火，其光电化学水分解性能明显提高。实验结果表明：以5％钛掺杂氧化铁薄膜为例，经过激光退火处理后其光电流是未进行激光退火的1.83倍，载流子浓度是未进行激光退火的10.07倍，转移能力是未进行激光退火的2倍，本发明的激光退火处理方法可以激活掺杂原子，提高样品的载流子浓度及电荷传输和转移能力。

附图说明

[0016] 图1是未经处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜与实施例1激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜的光电流密度对比图；

[0017] 图2是未经处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜与实施例1激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜的载流子浓度对比图；

[0018] 图3是未经处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜与实施例1激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜的电化学阻抗图；

[0019] 图4是未经处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜与实施例1激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜的电荷转移能力对比图。

具体实施方式

[0020] 本发明提供一种提高掺杂氧化铁光电化学水分解性能的激光处理方法，包括以下步骤：

[0021] 在样品固定板中放置掺杂氧化铁薄膜，然后对掺杂氧化铁薄膜进行脉冲激光退火处理；

[0022] 所述脉冲激光退火处理中，设置激光器的波长为355～600nm，优选为400-550nm，最优选为450nm；激光脉冲能量为5～30mJ，优选为10-20mJ，更优选为15mJ；激光脉冲次数为1～40次，优选为20次，得到激光退火处理后的掺杂氧化铁；所述脉冲激光退火处理中的激光器为纳秒脉冲激光器。

[0023] 按照本发明，本发明所述的掺杂氧化铁薄膜通过吸收激光能量而在样品表面产生热量从而达到高温退火的效果，所述的激光波长应设置在掺杂氧化铁的吸收范围，过低功率达不到退火效果，过高的功率会破坏薄膜样品。

[0024] 按照本发明，所述掺杂氧化铁薄膜采用现有技术的制备方法如喷雾热解法、水热法、磁控溅射法、电沉积或旋涂法制备即可，优选为喷雾热解法，具体优选为：

[0025] 配制掺杂氧化铁的前驱体溶液，具体优选为：在乙醇溶液中加入九水合硝酸铁，搅拌均匀后加入X元素掺杂的溶液，其中X:Fe的摩尔比为1:100～1:10，X为钛、锡、硅或锆元素，X元素掺杂的溶液优选为乙酰丙酮双氧钛、五水合四氯化锡、正硅酸乙酯或八水氧氯化锆，所述的X元素掺杂的溶液的浓度优选为0.01M；然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃～400℃，喷雾得到样品薄膜，然后将样品薄膜放入马弗炉内450℃～550℃退火30～
60min，制备得到掺杂氧化铁薄膜。

[0026] 按照本发明，所述掺杂氧化铁薄膜中的掺杂元素为钛、锡、硅或锆，掺杂浓度(X:Fe的原子比，X为钛、锡、硅或锆等元素)为0.1％～10％，更优选为1％～5％。

[0027] 下面结合具体实施例和附图对本发明做以详细说明。

[0028] 实施例1

[0029] 5％钛掺杂氧化铁的制备：

[0030] 100mL乙醇溶液中加入0.404g的九水合硝酸铁，搅拌均匀后加入5mL的0.01M的乙酰丙酮双氧钛，搅拌，然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃，喷雾得到样品薄膜，最后将薄膜放入马弗炉内500℃退火30min，制备得到5％钛掺杂氧化铁薄膜。

[0031] 在样品固定板中放上5％钛掺杂氧化铁薄膜，设置所述激光器的波长为450nm，激光脉冲能量为15mJ，激光脉冲次数为20次，得到激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜。

[0032] 图1是未经处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜与实施例1得到的激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜的光电流密度对比图，从图1中可以看到经过激光退火的5％钛掺杂氧化铁薄膜光电流密度明显提高，是未进行激光退火样品的1.83倍。

[0033] 图2是未经处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜与实施例1得到的激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜的载流子浓度对比图，从图2中可以看到经过激光退火的5％钛掺杂氧化铁薄膜载流子浓度是未进行激光退火的10.07倍。

[0034] 图3是未经处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜与实施例1得到的激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜的电化学阻抗图，图3中可以看到进行激光退火的5％钛掺杂氧化铁薄膜的电荷传输能力和转移能力增强。

[0035] 图4是未经处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜与实施例1得到的激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜的电荷转移能力对比图，从图中可以得出结论，进行激光退火的5％钛掺杂氧化铁薄膜的转移效率是未进行激光退火样品的2倍。

[0036] 实施例2

[0037] 5％钛掺杂氧化铁的制备：

[0038] 100mL乙醇溶液中加入0.404g的九水合硝酸铁，搅拌均匀后加入5mL的0.01M的乙酰丙酮双氧钛，搅拌，然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃，喷雾得到样品薄膜，最后将薄膜放入马弗炉内500℃退火30min，制备得到5％钛掺杂氧化铁薄膜。

[0039] 在所述的样品固定板中放上5％钛掺杂氧化铁薄膜，设置所述激光器的波长为450nm，激光脉冲能量为20mJ，激光脉冲次数为20次，得到激光退火处理的5％钛掺杂氧化铁薄膜。

[0040] 实施例2得到的5％钛掺杂氧化铁薄膜，其光电流是未进行激光退火的1.5倍，载流子浓度是未进行激光退火的8.4倍，转移能力是未进行激光退火的1.8倍，展现出优越的光电化学水分解性能。

[0041] 实施例3

[0042] 1％钛掺杂氧化铁的制备：

[0043] 100mL乙醇溶液中加入0.404g的九水合硝酸铁，搅拌均匀后加入1mL的0.01M的乙酰丙酮双氧钛，搅拌，然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃，喷雾得到样品薄膜，最后将薄膜放入马弗炉内500℃退火30min，制备得到1％钛掺杂氧化铁薄膜。

[0044] 在所述的样品固定板中放上1％钛掺杂氧化铁薄膜，设置所述激光器的波长为450nm，激光脉冲能量为15mJ，激光脉冲次数为20次，得到激光退火处理的1％钛掺杂氧化铁薄膜。

[0045] 实施例3得到的1％钛掺杂氧化铁薄膜，其光电流是未进行激光退火的1.4倍，载流子浓度是未进行激光退火的7.8倍，转移能力是未进行激光退火的1.8倍，，展现出优越的光电化学水分解性能。

[0046] 实施例4

[0047] 1％锡掺杂氧化铁的制备：

[0048] 100mL乙醇溶液中加入0.404g的九水合硝酸铁，搅拌均匀后加入1mL的0.01M的五水合四氯化锡，搅拌，然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃，喷雾得到样品薄膜，最后将薄膜放入马弗炉内500℃退火30min，制备得到1％锡掺杂氧化铁薄膜。

[0049] 在所述的样品固定板中放上1％锡掺杂氧化铁薄膜，设置所述激光器的波长为450nm，激光脉冲能量为15mJ，激光脉冲次数为20次，得到激光退火处理的1％锡掺杂氧化铁薄膜。

[0050] 实施例4得到的1％锡掺杂氧化铁薄膜，其光电流是未进行激光退火的1.5倍，载流子浓度是未进行激光退火的8.2倍，转移能力是未进行激光退火的1.78倍，展现出优越的光电化学水分解性能。

[0051] 实施例5

[0052] 1％硅掺杂氧化铁的制备：

[0053] 100mL乙醇溶液中加入0.404g的九水合硝酸铁，搅拌均匀后加入1mL的0.01M的正硅酸乙酯，搅拌，然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃，喷雾得到样品薄膜，最后将薄膜放入马弗炉内500℃退火30min，制备得到1％硅掺杂氧化铁薄膜。

[0054] 在所述的样品固定板中放上1％硅掺杂氧化铁薄膜，设置所述激光器的波长为450nm，激光脉冲能量为15mJ，激光脉冲次数为20次，得到激光退火处理的1％硅掺杂氧化铁薄膜。

[0055] 实施例5得到的1％硅掺杂氧化铁薄膜，其光电流是未进行激光退火的1.8倍，载流子浓度是未进行激光退火的9倍，转移能力是未进行激光退火的1.95倍，展现出优越的光电化学水分解性能。

[0056] 实施例6

[0057] 1％锆掺杂氧化铁的制备：

[0058] 100mL乙醇溶液中加入0.404g的九水合硝酸铁，搅拌均匀后加入1mL的0.01M的八水氧氯化锆，搅拌，然后利用喷雾热解法，热盘温度设定为300℃，喷雾得到样品薄膜，最后将薄膜放入马弗炉内500℃退火30min，制备得到1％锆掺杂氧化铁薄膜。

[0059] 在所述的样品固定板中放上1％锆掺杂氧化铁薄膜，设置所述激光器的波长为450nm，激光脉冲能量为15mJ，激光脉冲次数为20次，得到激光退火处理的1％锆掺杂氧化铁薄膜。

[0060] 实施例6得到的1％锆掺杂氧化铁薄膜，其光电流是未进行激光退火的1.6倍，载流子浓度是未进行激光退火的8.4倍，转移能力是未进行激光退火的1.8倍，展现出优越的光电化学水分解性能。

[0061] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。