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氧空位

一种晶体缺陷

氧空位是指在金属氧化物或者其他含氧化合物中，晶格中的氧原子(氧离子)脱离，导致氧缺失，形成的空位。简单来说，就是指氧离子从它的晶格中逸出而留下的缺陷。氧空位是半导体材料尤其是金属氧化物半导体中最常见的一种缺陷，对半导体材料的性能有着重要影响．

分类
按照所处的空间位置不同，氧空位可以分为表面氧空位和体相氧空位。如果按照氧空位对光催化性能影响不同进行更细致的分类，氧空位又可以分为次表面氧空位和体相氧空位两种。如果按照束缚电子数进行分类，可以分为束缚双电子型氧空位、束缚单电子型氧空位和无束缚电子型氧空位。
表征方法
当前，氧空位的表征手段主要有电子显微技术和电子顺磁共振技术。电子显微技术是一种利用高分辨和放大倍率的电子显微镜对材料进行特征分析的分析技术，而应用于氧空位表征的电子显微技术主要有扫描隧道电子显微技术和高分辨透射电子显微技术。
扫描隧道电子显微技术一般用于观察表面氧空位及其与外界分子之间的相互作用，而高分辨透射电子显微技术用于观察表面及体相氧空位。高分辨透射电子显微技术虽然可以看到氧空位缺陷的存在，但是由于分辨率的限制，得到的氧空位图像信息仍然比较模糊。
现有研究表明，表面氧空位对光催化材料物理化学性能有显著影响，因此，其相关的研究也最多。对氧空位位置的表征，现阶段大多采用高分辨透射电子显微技术结合电子顺磁共振技术的分析方法进行。
引入方法
加温氢化法、离子掺杂法、高能粒子轰击法、气氛脱氧法、机械化学力法和化学反应法等。
加温氢化法：将纳米TiO2粉末在高温氢气气氛中煅烧，制得了黑色的带有表面缺陷的TiO2纳米晶粉末，该黑色粉末表现出极高的可见光催化光解水制氢效率。
离子掺杂法：离子掺杂法作为改善可见光催化活性的常用手段已经使用了超过30年。不管是金属离子还是非金属离子掺杂经常伴随着氧空位的形成。至于此过程中氧空位的形成机制仍不是很清楚。
高能粒子轰击法：一系列研究表明，高能电子和离子等能够解离TiO2表面上的氧离子和中性原子，进而产生氧空位.
气氛脱氧法：通过在一定的气氛环境下高温热处理(通常大于400℃)也可以在TiO2等氧化物或者其他含氧化合物引入氧空位，这种气氛环境通常是真空、Ar、N2、He气氛。
机械化学力法：通过机械化学力也就是常见的球磨方法，对球磨的粉末施加机械剪切力和压力，在粉末中引入大量的晶格畸变，使氧原子脱离原有的晶格位置而引入氧空位。
化学反应法：将含氧化合物光催化剂与特定还原剂混合，在室温或者加热条件下，可以将氧从含氧化合物的晶格中抽出形成氧空位。
理化性能影响
氧空位的引入会对材料的物理化学特性，包括体系的电子结构、几何结构、材料吸光特性以及表面吸附特性等产生重要影响。
对电子结构的影响，氧空位由于其可以有效调控催化剂表面的电子结构，增强电子富集作用，活化CO2分子，一方面可以促进可见光的吸收，另一方面，改变材料的电荷转移能力。
对几何结构的影响，氧原子的位置因为氧原子缺失形成氧空位，这必然会导致周围原子的重排，对Cu2O表面氧空位的研究表明，引入的表面氧空位导致其最接近表面的三个原子层产生驰豫，尽管这种驰豫程度较小，与表面相比，这种驰豫是限定在很小范围的，并且主要产生在氧空位的附近。
对材料吸光特性的影响，通过引入氧空位，在TiO2的导带下方引入一个施主能级，减小了其禁带宽度，进而将其光吸收边界延伸到可见光甚至是近红外波段。通常金属氧化物的金属原子具有配位饱和的特点，无法通过化学吸附来活化氧分子。而氧空位缺陷的构筑克服了该缺点，促进了光生电子从氧化物催化剂向氧分子的高效转移。
对表面吸附特性的影响，与TiO2表面相比，表面氧空位的引入有利于O2分子的吸附。
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