氧化钨纳米线结构相变的拉曼光谱研究_卢东昱
文章编号:1004-5929(2006)02-0120-04
氧化钨纳米线结构相变的拉曼光谱研究
卢东昱1
,陈 建
1,2
,周 军1,邓少芝1,许宁生
1
(1.中山大学光电材料与技术国家重点实验室,显示材料与技术广东省重点实验室,
广州 510275;E -mail :stsxns @zs u .edu .cn ;
2.中山大学测试中心,广州 510275;E -mail :puscj @zsu .edu .cn )
摘 要:本文利用拉曼光谱技术对氧化钨纳米线结构随激光功率改变而变化的情况进行了研究。研究结果表明氧化钨纳米线在一定功率的激光照射下被氧化成了三氧化钨纳米线;随着激光功率的进一步增大,纳米线温度进一步升高,三氧化钨纳米线由开始的单斜相向正交相结构过渡。实验证实三氧化钨纳米线的相变过程是可逆的,而之前的氧化过程是不可逆的。
关键词:氧化钨纳米线;三氧化钨纳米线;拉曼光谱;结构相变中图法分类号:O657.37 文献标识码:A
Laser Power Effect on Raman Spectroscopy Study
of Tungsten Oxide Nanowires
LU Dong -yu 1,CHEN Jian 1,2,ZHOU Jun 1,DENG Shao -zhi 1,XU Ning -sheng 1(1.S tate Key Lab of Optoelectronic Materials and Technologies ,Guangdong Provinc e
Key Laboratory of Display Materials and Technologies ,Sun Y at -sen (Zhongshan )
University ,Guangzhou 510275,China ;
2.Instrumentation Analysis and Research Center ,S un Y at -sen (Zhongshan )University ,Guangzhou 510275,China )
A bstract :The laser pow er effect on the structure of tung sten oxide nanow ires has been stud -ied .Tungsten oxide nanow ires w ere oxidized to tungsten trioxide nanow ires under the irradia -tio n of a certain laser power .With the further increase of laser power ,the temperature of nanowires increased further at the same time ,tung sten trioxide nanowires underw ent a phase transition from monoclinic to ortho rhombic .This process of phase transition w as reversible ;however the previous oxidation was irreversible .
Key words :tung sten oxide nanow ires ;tungsten trioxide nanow ires ;Raman spectroscopy ;phase transition
引言
在许多过渡族金属氧化物中,氧化钨由于其独特的一些性质成为人们关注的焦点并被广泛
研究[1,2]。氧化钨有显著的电致变色、气致变
色、光致变色的特性,它可以用来做成平板显示器、光电变色显示窗、具有读写擦功能的光学器
件、光调制器件、气体传感器、温度湿度传感器,等等[1,2]。
氧化钨能被直接氧化成三氧化钨。三氧化
收稿日期:2005-06-17
第18卷 第2期2006年6月
光 散 射 学 报
THE J OU RNAL OF LIGHT S CAT TERING Vol .18 No .2
June .2006
DOI :10.13883/j .issn 1004-5929.2006.02.004
钨是间接带隙的半导体材料,有着奇特的光敏特性。三氧化钨作为太阳能装置的一种低成本材料具有潜在的应用前景,它可以广泛地应用于电致变色器件、化学传感器和气体传感器[3]
。三氧化钨是目前人们广泛研究的焦点,特别是其结构方面的研究。三氧化钨体材料和微晶材料的结构已有许多文献给予了报道[4,5]。随着温度的升高,三氧化钨体材料和微晶材料的结晶相有下列的次序:单斜(ε相)-三斜(δ相)—单斜(γ
相)-正交(β相)-四方(α相)[6,7]。
利用拉曼光谱可以很容易地区分出三氧化
钨晶体粉末或者薄膜不同的结构相[4,5]。据我们了解,目前还没有关于研究温度对氧化钨结构影响这方面的报道。本文利用拉曼光谱技术初步研究了氧化钨纳米线结构随激发激光功率改变而变化的过程。1 实验
氧化钨纳米线通过热蒸发法合成,钨粉原料均匀地洒在置于真空室的钨舟上,真空室的温度、压强和蒸发时间可以控制。高纯度的氩气注入真空室中,并保持200sccm 的气流速度。样品沉积温度通过红外测温器监控并保持在
1300℃。氧化钨纳米线的拉曼光谱是利用Ren -ishaw2000背向散射型显微拉曼光谱仪得到的。实验采用氩离子激光器514.5nm 的激光线,50倍物镜,聚焦在样品上的激光光斑直径约为2微
米。
2 结果与讨论
氧化钨纳米线为深蓝色,它的SEM 照片见图1所示。可以看出,纳米线的均匀性不是很好,但是具有较好的直立性,纳米线的尺寸在80-300nm 之间。
图2是氧化钨纳米线的X 射线衍射图。在整个XRD 图中只有四个明显的峰,其中中间强度最大的峰对应衬底单晶Si 的(111)峰,另外三个峰分别对应了单斜结构的W 18O 49(JCPDs :5-0392和5-0393),对应的晶胞参数为a =18.28 ,b =3.775 ,c =13.98 ,β=115°14′。在该谱图中我们没有发现其它物质的衍射峰,所以说我们所制备的氧化钨(W 18O 49)是非常纯的,同时我们也没有发现该物质其它的明显的衍射峰存在,说明我们所制备的纳米线是择优生长的,其生长方向是[010]方向
。
Fig .1 The SEM image of tungsten oxide nano wires ,the diameters rang from 80to 300nm .
第2期卢东昱:氧化钨纳米线结构相变的拉曼光谱研究2006年
Fig.2 X-ray diffraction diagrams of tungsten oxide nanowires,the theo retical peak values of diffraction lines are also plotted on the diagrams.
氧化钨纳米线在不同功率的激光辐射下的拉曼光谱如图3所示。从图3可以看出,随着激光功率的增大(从0.72mw到20mw),氧化钨纳米线的拉曼谱发生了一些明显的变化。起初,当激光功率很低的时候氧化钨纳米线的拉曼信号不强(见曲线B);可以看到在整个光谱范围内存在两个明显的Raman带,分别为100-500 cm-1和500-1100cm-1。随着功率的增大(从曲线C到曲线D),拉曼信号随之增强,但是Ra-man带的峰形和峰位几乎没什么改变。随着激光功率的增大,氧化钨纳米线的温度会随之同时升高。当激光功率增大到一定程度(见曲线E),也就是说当样品温度升高到一定程度,氧化钨由于和周围空气中的氧发生反应被氧化成三氧化钨,此时它的结构是三氧化钨单斜γ相[5];三个主峰的频率分别位于269cm-1、714cm-1和803cm-1,其中269cm-1归属于O-W-O的伸缩振动模式[8],而714cm-1和803cm-1则归属于O-W-O的弯曲振动模式[8]。当激光功率下降回3mw时,拉曼峰已不能恢复到曲线D的状态,其峰形和峰位仍与曲线E基本一致。所以,这个氧化过程是不可逆的。当激光功率进一步增大(从曲线F到曲线G),三氧化钨的结构开始发生变化,三个主峰都向低波数发生了频移,最后分别下移到了260cm-1、705cm-1和801cm-1(见曲线G),此时它对应的结构近似为正交β相[5]。也就是说三氧化钨纳米线随着激光功率的进一步增大由单斜γ相向正交β相过渡。由于激光功率大小的限制,我们不能观察到三氧化钨的四方α相。同时,我们发现从单斜γ相向正交β相过渡的过程是完全可逆的。当激光功率下降回到4.8mw时,拉曼峰的峰形和峰位与曲线E基本一致,这就说明三氧化钨又从正交β相回到了单斜γ相,三个主峰对应的频移分别位于271cm-1、715cm-1和804cm-1。
第18卷 第2期2006年6月
光 散 射 学 报
THE J OU RNAL OF LIGHT S CAT TERING
Vol.18 No.2
June.2006
Fig.3 Raman spectra of tungsten oxide nanowires irradiated under different laser power.In order to observe the total process more obviously,each spectrum was magnif ied to a certain multiple.
3 结论
激光功率对氧化钨纳米线的结构产生了影响。氧化钨纳米线首先被氧化成三氧化钨,其后经历了相变过程。起初,氧化钨纳米线的拉曼光谱显示出其本征谱的特性;但是,当激光功率增大到一个足够高的程度,氧化钨被氧化成了三氧化钨。当功率继续增大,三氧化钨的结构相由单斜向正交过渡。由于激光功率不够强,三氧化钨纳米线不能过渡到四方结构,有关的工作我们将在进一步的研究中开展。以上描述的相变过程是可逆的,这与之前的氧化过程不同。
致谢
感谢国家自然科学基金委、国家科技部、国家教育部、广东省教育局和广东省科技局对本研究的资助。
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第2期卢东昱:氧化钨纳米线结构相变的拉曼光谱研究2006年