西北大学物理学院团队在《中国科技论文》发表载银多孔TiO₂薄膜光致变色性能研究

作者及发表信息
本研究由西北大学物理学院的王晨辉、陈文德、焦杨、郑新亮、靳延平合作完成，成果发表于《中国科技论文》（China Sciencepaper）2015年第10卷第17期（9月刊）。研究聚焦于凝聚态物理领域的功能材料，旨在通过改进载银二氧化钛（Ag/TiO₂）薄膜的制备工艺，提升其光致变色性能，为多色显示、光信息存储等应用提供新材料基础。

学术背景与研究目标
2003年，《Nature Materials》首次报道了Ag/TiO₂薄膜的多色光致变色现象：薄膜经不同波长可见光照射后可呈现与入射光相近的颜色，紫外光照射后恢复原状。这一特性源于Ag纳米颗粒的表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）效应——特定波长光激发Ag颗粒电子转移至TiO₂导带，进而被氧气氧化为无色Ag⁺（“光溶解”）；紫外光则逆转该过程。然而，传统方法制备的Ag/TiO₂薄膜因结构致密导致变色速率慢，限制了实际应用。
本研究提出通过聚乙二醇（PEG）造孔策略，在TiO₂薄膜中构建多孔结构，以扩大Ag颗粒与TiO₂及氧气的接触面积，从而加速光致变色过程。研究目标包括：
1. 优化PEG分子量及用量对孔结构的影响；
2. 探究镀银时间对Ag颗粒形貌的调控作用；
3. 建立孔结构-Ag形貌-光致变色性能的关联机制。

研究方法与流程
1. 多孔TiO₂薄膜制备
采用溶胶-凝胶法，以钛酸丁酯为前驱体，无水乙醇为溶剂，二乙醇胺抑制水解。实验分为两组：
- 传统组：未添加PEG，形成致密TiO₂薄膜；
- 多孔组：分别添加PEG2000或PEG4000（0.1–0.3 g），40℃搅拌10分钟后陈化24小时。
旋涂成膜后，经500℃退火1小时使PEG挥发，形成孔径50–250 nm的多孔结构（PEG2000孔较小而密，PEG4000孔大而浅）。

2. Ag颗粒沉积
将TiO₂薄膜浸入1 mol/L AgNO₃溶液，紫外光（253 nm）照射10或20分钟，通过光化学还原沉积Ag颗粒。扫描电镜（SEM）和能谱（EDX）表征显示，Ag颗粒直径20–300 nm，形状受孔结构限制：小孔（50–100 nm）内Ag颗粒更均匀，大孔（>200 nm）中易出现片状颗粒。

3. 光致变色性能测试
使用635 nm红色激光（10 mW）辐照薄膜15分钟，通过紫外-可见吸收光谱测定“烧孔”（即特定波长吸光度下降）现象。差分吸收光谱（辐照后光谱减初始光谱）用于量化变色效果。

主要研究结果
1. 孔结构对Ag形貌的调控
- PEG分子量影响：PEG2000制备的薄膜孔径50–100 nm，Ag颗粒尺寸分布窄（<50 nm）；PEG4000薄膜孔径200–250 nm，Ag颗粒形状不规则（图1）。
- PEG用量影响：0.2 g PEG2000时孔密度最高，薄膜比表面积最大，Ag颗粒与TiO₂接触最优。

2. 光致变色性能差异
- 多孔薄膜优势：PEG2000组在580 nm和400 nm处出现显著“烧孔”，变色速率比传统薄膜快3倍（图2）。因多孔结构促进电子转移和氧气吸附。
- 镀银时间影响：20分钟镀银导致Ag颗粒过大（>100 nm），产生额外宽化“烧孔”；10分钟镀银则形成窄而深的“烧孔”（图4），表明小尺寸Ag颗粒（50–100 nm）对红光响应更灵敏。

3. 机制分析
- 孔洞限制Ag颗粒生长，但孔径增大时限制作用减弱；
- Ag颗粒形貌主导“烧孔”位置：非球对称颗粒（如片状）引发多波长响应；
- 介质折射率影响：多孔薄膜中Ag周围TiO₂占比高，导致SPR峰红移（>600 nm）。

结论与价值
本研究通过PEG辅助溶胶-凝胶法，成功制备出具有快速光致变色响应的多孔Ag/TiO₂薄膜，得出以下结论：
1. 最优参数：0.2 g PEG2000造孔（50–100 nm）结合10分钟镀银，可获得高变色速率与单一波长选择性；
2. 调控机制：孔结构通过限制Ag颗粒尺寸和增加界面接触提升性能，但过度增大孔径或镀银时间会降低效果。

科学价值：揭示了孔结构-Ag形貌-SPR效应的多尺度关联，为设计智能光响应材料提供理论依据。
应用价值：该薄膜可应用于动态彩色显示、高密度光存储、灵巧窗（smart window）等领域，尤其适合需要快速响应的场景。

研究亮点
1. 创新方法：首次将PEG造孔与光化学镀银结合，实现Ag/TiO₂薄膜结构-性能协同优化；
2. 发现特异性：明确50–100 nm孔洞为最佳尺寸，平衡Ag限域与电子传输；
3. 跨尺度分析：从纳米孔洞到微米薄膜，系统解析了多级结构对光致变色的影响。

其他价值：研究提出的“孔洞限域效应”可拓展至其他金属-半导体复合体系，如Au/TiO₂或Ag/ZnO，为功能材料设计提供新思路。