【摘要】 在X射线衍射室中对二氧化钛纳米管(TNT)层进行原位热处理，以详细研究TNT层的晶化过程。

在X射线衍射室中对二氧化钛纳米管(TNT)层进行原位热处理，以详细研究TNT层的晶化过程。不同厚度(1、5和20μm)、不同形貌(双壁和单壁)的TNT层在室温到500◦C的温度范围内以两种明显不同的退火率进行了热处理。此外，还探索了三种不同的退火气氛，即空气作为氧化气氛，氮气作为惰性气氛，以及5%H2和95%氮气作为还原气氛。每15◦C测量一次X-射线衍射谱，并根据谢勒方程计算出每个数据点的锐钛矿峰的微晶尺寸。对15μm厚的TNT膜(即从钛衬底上分离出来的TNT层)在30~550℃的温度范围内进行了原位X-射线衍射研究。研究表明，当升温速率为0.25℃/min时，非晶态向锐钛矿相的转变开始于327℃，而较高的升温速率使锐钛矿的形成向更高的温度移动。在550℃X射线衍射膜上未观察到金红石相的形成，但是，与钛衬底上相比，在TNT膜上进行原位X射线衍射会极大地改变所得到的结构，因为TNTs下面不会形成热氧化层。对于钛衬底上的TNT层来说，这种热氧化层尤其令人感兴趣，因为金红石相的生长是从它开始的[1，2]。利用原位X射线衍射仪研究了不同厚度的TNT薄膜的晶化行为。结果表明，在空气中热处理时，1μm和20μm厚的TNT层在相似的温度下开始晶化，而对于5μm厚的TNT层，需要升高大约30◦C才能看到第一个锐钛矿衍射峰的出现。将5μm厚的DW TNT层刻蚀成SWTNT层后，在2.1◦C/min的低升温速率下，晶化开始，温度降低，而在21◦C/min的高升温速率下，晶化温度没有变化。因此，不同TNT层的晶化温度对TNT层厚度的影响并不明显，但似乎依赖于TNT层内杂质的浓度和纳米管的壁厚。在较高温度下，由于晶体结构内部缺陷的愈合，锐钛矿微晶尺寸总体上随退火温度的升高而增大。在N2或H2/N2气氛中退火时，开始晶化的温度比在空气中退火时略有提高。相反，在这些惰性气氛中，在所有温度下的热处理过程中，锐钛矿微晶尺寸几乎是恒定的。

 

[1] O.K. Varghese, D. Gong, M. Paulose, C.A. Grimes, E.C. Dickey, Crystallization and high-temperature structural stability of titanium oxide nanotube arrays, J. Mater. Res. 18 (2003) 156–165, https://doi.org/10.1557/JMR.2003.0022.

[2] S. Das, R. Zazpe, J. Prikryl, P. Knotek, M. Krbal, H. Sopha, V. Podzemna, J. M. Macak, Influence of annealing temperatures on the properties of low aspectratio TiO2 nanotube layers, Electrochim. Acta 213 (2016) 452–459, https://doi. org/10.1016/j.electacta.2016.07.135.

 

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