[发明专利]一种锆钛酸铅铁电薄膜光电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锆钛酸铅铁电薄膜光电极及其制备方法，所述光电极包括导电基底、锆钛酸铅薄膜以及二者之间的金膜，该电极在1.0V(vs.Ag/AgCl)的电压条件下光电流密度可达200μA/cm²。其制备方法为：将基底清洗后蒸镀金膜，在金膜上旋涂锆钛酸铅膜，经退火、煅烧和封装即得所述电极，制备工艺简单，成本低，所得的薄膜均匀性好，具有良好的可见光吸收性能，且稳定性和光电转换效率较之前的工艺也有明显提高。

技术领域

本发明属于半导体光电催化电极材料，具体是指一种基于溶胶凝胶法制备锆钛酸铅铁电薄膜光电极及其制备方法。

背景技术

在最近一个世纪的时间内，人类的科技和生活都取得了巨大的进步，无论是在工业、农业还是在商业等方面，都经历着日新月异的改变，但随之而来的环境问题和能源问题渐渐成为了制约社会发展的主要因素，为了人类世界的可持续发展，人们开始积极应对环境和能源带来的巨大挑战，积极地寻求清洁、可再生的能源来代替污染环境且不可再生的化石燃料。太阳能作为一种已被广泛应用的可再生能源，有取之不尽用之不竭的巨大优点，而如何利用随处可见的太阳能，就成为了人们亟待解决的重大问题。在近半个世纪的研究中，人们发现，半导体光催化是一种绿色环保，且可以被广泛应用于太阳能转化方面的化工技术。针对这一前景光明的催化技术，科学家们进行了长期深入的探索，发现以二氧化钛为代表的半导体光催化剂虽然已经可以较为成熟地应用于光催化制氢领域中，但普遍存在光响应带宽窄、电子空穴复合率高、稳定性差、量子效率低等缺点，因此如何有效解决这些问题，成为了后期人们研究的重点。

锆钛酸铅(PZT)具有典型的ABO₃型钙钛矿结构，且在介电、压电方面具有显著的优点。PZT的居里温度较高，因此具有较好的稳定性；PZT有较高的介电常数和电阻率，以及较高的热释电系数和较低的介质损耗，因而具有较高的热释电优值因子；另外，如果要改善PZT薄膜的铁电、压电性能，可通过掺杂或单纯改变PZT薄膜中Zr/Ti的化学计量比的方式来实现。这种具有很高应用价值的光电极材料一般可采用溶胶-凝胶法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法等方式来制备，其中，溶胶-凝胶法是应用最广泛的方法。这是一种条件较为温和的材料制备方法，这种方法首先将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，之后变成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理来制备出纳米粒子和所需要的材料。其前驱体一般为金属的有机盐或无机盐化合物，溶剂一般为水或者有机溶剂，这样将原料分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，有利于反应物之间在分子水平上进行均匀混合。

PZT铁电材料由于其良好的铁电性、介电性、压电性、热释电性和光电效应等，被广泛应用于无线存储设备、压力传感器、热释电红外探测器以及DRAM半导体存储器件。近年来，随着制备工艺的改进，研究人员已经能制备出性能优异，且厚度很小的PZT铁电薄膜，同时可保证其铁电性能仍然很优异。而目前，对于如何得到均匀性好，粘附性好、同时又具有优异的光催化性能的铁电薄膜的研究，还并不成熟，有待进一步探究。

发明内容

本发明基于对目前PZT铁电材料在光电化学性能方面的缺陷和不足的分析，改进了之前的光电极制备方法，提出了一种新的能对更宽波长范围紫外可见光产生光电响应的PZT薄膜光电极及其制备方法，该工艺制备方法简单，成本低廉，重复性好，制备的PZT薄膜光电极的光电性能良好，且具有较高的光电转换效率，优点显著。

为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种锆钛酸铅铁电薄膜光电极，包括导电基底、锆钛酸铅薄膜以及二者之间的金膜。

优选地，所述导电基底为FTO导电玻璃，其导电层厚度为150～200nm，所述锆钛酸铅薄膜的厚度为350～400nm，锆钛酸铅的组成为Pb(Zr_0.20Ti_0.80)O₃，所述金膜的厚度为50～80nm。