引入应力的锐钛矿TiO2(001)薄膜的外延生长

王明越 谭世倞 崔雪峰 王兵

引用本文: 王明越, 谭世倞, 崔雪峰, 王兵. 引入应力的锐钛矿TiO2(001)薄膜的外延生长[J]. 物理化学学报, 2019, 35(12): 1412-1421. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905054 shu
Citation:  WANG Mingyue, TAN Shijing, CUI Xuefeng, WANG Bing. Introducing Strain in Anatase TiO2(001) Films by Epitaxial Growth[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(12): 1412-1421. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905054 shu

引入应力的锐钛矿TiO2(001)薄膜的外延生长

    通讯作者: 王兵, bwang@ustc.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2016YFA0200603)和国家自然科学基金(21573207)资助项目

摘要: 锐钛矿TiO2(001) (anatase TiO2(001),简记为ATO)表面因其优异的催化活性受到了广泛的关注。理论计算结果表明,ATO表面应力导致的晶格畸变可能会增强该表面的催化活性。因此有必要研究应力对ATO表面结构的影响。本文利用BaTiO3(001) (简记为BTO)与ATO之间存在较大的晶格失配度,将ATO薄膜外延生长在BTO衬底上从而引入应力,研究了存在应力情况下的ATO薄膜的结构特征。实验中,利用脉冲激光沉积方法在Nb掺杂的SrTiO3(001) (简记为STO)单晶衬底上制备了ATO/BTO/STO外延薄膜。X射线衍射(XRD)和扫描透射电子显微术(STEM)结果表明,作为应力引入层的BTO薄膜厚度约为4–6 nm时,能够部分地将应力引入到ATO薄膜中。X射线光电子能谱(XPS)结果显示,ATO薄膜合适的厚度应大于15 nm,从而降低从衬底反向扩散至表面的Sr和Ba原子的浓度;Ti 2p的高分辨XPS谱仅呈现出Ti4+峰,表明ATO表面Ti原子为完全氧化的价态。ATO外延薄膜表面的扫描隧道显微术(STM)图像仍然呈现为(1 × 4)重构的结构,但在(1 × 4)重构的脊上存在明暗交替并具有一定周期性的特征。根据完全氧化的“增氧原子模型”(ad-oxygen model,AOM),脊上观察到的明暗交替特征可归因于表面应力导致的“TiO2”空位缺陷结构。

English

    1. [1]

      Diebold, U. Surf. Sci. Rep. 2003, 48, 53. doi: 10.1016/S0167-5729(02)00100-0

    2. [2]

      Fujishima, A.; Zhang, X. T.; Tryk, D. A. Surf. Sci. Rep. 2008, 63, 515. doi: 10.1016/j.surfrep.2008.10.001

    3. [3]

      Henderson, M. A. Surf. Sci. Rep. 2011, 66, 185. doi: 10.1016/j.surfrep.2011.01.001

    4. [4]

      Schneider, J.; Matsuoka, M.; Takeuchi, M.; Zhang, J. L.; Horiuchi, Y.; Anpo, M.; Bahnemann, D. W. Chem. Rev. 2014, 114, 9919. doi: 10.1021/cr5001892

    5. [5]

      郭庆, 周传耀, 马志博, 任泽峰, 樊红军, 杨学明.物理化学学报, 2016, 32, 28. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512081Guo, Q.; Zhou, C. Y.; Ma, Z. B.; Ren, Z. F.; Fan, H. J.; Yang, X. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 28. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512081

    6. [6]

      Luttrell, T.; Halpegamage, S.; Tao, J.; Kramer, A.; Sutter, E.; Batzill, M. Sci. Rep. 2014, 4, 4043. doi: 10.1038/srep04043

    7. [7]

      Vittadini, A.; Selloni, A.; Rotzinger, F. P.; Grätzel, M. Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 2954. doi: 10.1103/PhysRevLett.81.2954

    8. [8]

      Gong, X. Q.; Selloni, A.; Vittadini, A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 2804. doi: 10.1021/jp056572t

    9. [9]

      陆阳.物理化学学报, 2016, 32, 2185. doi: 10.3866/PKU.WHXB201605255Lu, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 2185. doi: 10.3866/PKU.WHXB201605255

    10. [10]

      Ohsawa, T.; Lyubinetsky, I. V.; Henderson, M. A.; Chambers, S. A. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 20050. doi: 10.1021/jp8077997

    11. [11]

      Pan, J.; Liu, G.; Lu, G. Q.; Cheng, H. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 123, 2181. doi: 10.1002/ange.201006057

    12. [12]

      Tachikawa, T.; Yamashita, S.; Majima, T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7197. doi: 10.1021/ja201415j

    13. [13]

      王翔, 李仁贵, 徐倩, 韩洪宪, 李灿.物理化学学报, 2013, 29, 1566. doi: 10.3866/PKU.WHXB201304284Wang, X.; Li, R. G.; Xu, Q.; Han, H. X.; Li, C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 1566. doi: 10.3866/PKU.WHXB201304284

    14. [14]

      Herman, G. S.; Gao, Y. Thin Solid Films 2001, 397, 157. doi: 10.1016/S0040-6090(01)01476-6

    15. [15]

      Lazzeri, M.; Selloni, A. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 266105. doi: 10.1103/PhysRevLett.87.266105

    16. [16]

      Wang, Y.; Sun, H. J.; Tan, S. J.; Feng, H.; Cheng, Z. W.; Zhao, J.; Zhao, A. D.; Wang, B.; Luo, Y.; Yang, J. L.; et al. Nat. Commun. 2013, 4, 2214. doi: 10.1038/ncomms3214

    17. [17]

      Tang, H. Q.; Cheng, Z. W.; Dong, S. H.; Cui, X. F.; Feng, H.; Ma, X. C.; Luo, B.; Zhao, A. D.; Zhao, J.; Wang, B. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 1272. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b12917

    18. [18]

      Cheng, Z. W.; Tang, H. Q.; Cui, X. F.; Dong, S. H.; Ma, X. C.; Luo, B.; Tan, S. J.; Wang, B. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 19930. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b07256

    19. [19]

      Luo, B.; Tang, H. Q.; Cheng, Z. W.; Ji, Y. Y.; Cui, X. F.; Shi, Y. L.; Wang, B. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 17289. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b04530

    20. [20]

      Xu, M. L.; Wang, S.; Wang, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 16615. doi: 10.1039/C7CP03457A

    21. [21]

      Shi, Y. L.; Sun, H. J.; Saidi, W. A.; Nguyen, M. C.; Wang, C. Z.; Ho, K. M.; Yang, J. L.; Zhao, J. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 1764. doi: 10.1021/acs.jpclett.7b00181

    22. [22]

      Sun, H. J.; Lu, W. C.; Zhao, J. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 14528. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b02777

    23. [23]

      Yuan, W. T.; Wu, H. L.; Li, H. B.; Dai, Z. X.; Zhang, Z.; Sun, C. H.; Wang, Y. Chem. Mater. 2017, 29, 3189 doi: 10.1021/acs.chemmater.7b00284

    24. [24]

      Xiong, F.; Yin, L. L.; Wang, Z. M.; Jin, Y. K.; Sun, G. H.; Gong, X. Q.; Huang, W. X. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 9991. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b02154

    25. [25]

      Vitale, E.; Zollo, G.; Agosta, L.; Gala, F.; Brandt, E. G.; Lyubartsev, A. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 22407. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b05646

    26. [26]

      Beinik, I.; Bruix, A.; Li, Z. S.; Adamsen, K. C.; Koust, S.; Hammer, B.; Wendt, S.; Lauritsen, J. V. Phys. Rev. Lett. 2018, 121, 206003. doi: 10.1103/PhysRevLett.121.206003

    27. [27]

      Murakami, M.; Matsumoto, Y.; Nakajima, K.; Makino, T.; Segawa, Y.; Chikyow, T.; Ahmet, P.; Kawasaki, M.; Koinuma, H. Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 2664. doi: 10.1063/1.1365412

    28. [28]

      Yamamoto, S.; Sumita, T.; Miyashita, A.; Naramoto, H. Thin Solid Films 2001, 401, 88. doi: 10.1016/S0040-6090(01)01636-4

    29. [29]

      Du, Y. G.; Kim, D. J.; Kaspar, T. C.; Chamberlin, S. E.; Lyubinetsky, I.; Chambers, S. A. Surf. Sci. 2012, 606, 1443. doi: 10.1016/j.susc.2012.05.010

    30. [30]

      Krupski, K.; Sanchez, A. M.; Krupski, A.; McConville, C. F. Appl. Surf. Sci. 2016, 388, 684. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.02.214

    31. [31]

      Liang, Y.; Gan, S. P.; Chambers, S. A.; Altman, E. I. Phys. Rev. B 2001, 63, 235402. doi: 10.1103/PhysRevB.63.235402

    32. [32]

      Moulder, J. F.; Stickle, W. F.; Sobol, P. E.; Bomben, K. D.; Chastain, J. Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy; Perkin-Elmer: Minnesota, 1992; pp. 104–139.

    33. [33]

      Watanabe, Y.; Matsumoto, Y.; Kunitomo, H.; Tanamura, M.; Nishimoto, E. Jpn. J. Appl. Phys. 1994, 33, 5182. doi: 10.1143/JJAP.33.5182

    34. [34]

      Herman, G. S.; Sievers, M. R.; Gao, Y. Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 3354. doi: 10.1103/PhysRevLett.84.3354

    35. [35]

      Xia, Y. B.; Zhu, K.; Kaspar, T. C.; Du, Y. G.; Birmingham, B.; Park, K. T.; Zhang, Z. R. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 2958. doi: 10.1021/jz401284u

    36. [36]

      Shi, Y. L.; Sun, H. J.; Nguyen, M. C.; Wang, C. Z.; Ho, K. M.; Saidi, W. A.; Zhao, J. Nanoscale 2017, 9, 11553. doi: 10.1039/C7NR0245

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  11
  • 文章访问数:  1283
  • HTML全文浏览量:  90
文章相关
  • 发布日期:  2019-12-15
  • 收稿日期:  2019-05-14
  • 接受日期:  2019-05-30
  • 修回日期:  2019-05-29
  • 网络出版日期:  2019-12-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章