BaTi1-xFexO3陶瓷的可调光学带隙与介电行为：结构调控与光催化性能优化研究

本研究通过溶胶-凝胶法制备Fe掺杂BaTiO3陶瓷（BaTi1-xFexO3），系统探究了Fe掺杂浓度（x=0-16%）对材料结构、介电及光学性能的影响。研究发现低浓度Fe掺杂（≤4%）保持四方相结构，而x=16%时出现六方相共存；介电常数在x=0.5%时达峰值5901，光学带隙从2.63 eV降至2.35 eV，Urbach能量从1.91 eV增至4.85 eV。该工作为设计可见光驱动光催化材料提供了新思路。

　　

在能源转换与环境污染治理的双重挑战下，开发高效可见光响应材料成为研究热点。传统光催化剂如TiO₂因宽带隙（>3 eV）仅能利用紫外光，而铅基钙钛矿虽性能优异却存在环境风险。作为替代，无铅的钛酸钡（BaTiO₃）因其铁电性、高介电常数和结构可调性备受关注，但其约3.2 eV的带隙仍限制可见光利用。如何通过掺杂工程调控其电子结构，成为突破性能瓶颈的关键科学问题。

研究人员采用溶胶-凝胶法成功制备了Fe掺杂BaTiO₃陶瓷（BaTi_1-xFe_xO₃, x=0-16%），通过XRD、SEM、UV-Vis等系统表征发现：低浓度Fe掺杂（≤4%）维持四方相（空间群P4mm），而x=16%时出现六方相（P6₃/mmc）共存；介电常数在x=0.5%时达峰值5901（1 MHz），较纯BaTiO₃（4630）提升27%；光学带隙从2.63 eV（x=0%）降至2.35 eV（x=16%），Urbach能量从1.91 eV增至4.85 eV，证实缺陷态增加促进可见光吸收。该研究发表于《Results in Engineering》，为设计环境友好型光催化材料提供了重要参考。

关键技术包括：1）溶胶-凝胶法合成Fe梯度掺杂BaTiO₃粉体；2）X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修解析晶体结构；3）扫描电镜（SEM）观测微观形貌；4）紫外可见光谱（UV-Vis）测定光学带隙与Urbach能量；5）宽频介电谱分析温度/频率依赖性。

3.1 结构研究
XRD与Rietveld精修表明：Fe²⁺（0.78 ?）取代Ti⁴⁺（0.605 ?）导致晶格膨胀，x=16%时晶胞体积增至64.470 ?³。Williamson-Hall分析显示微应变从1.934×10^-3（x=0%）降至1.280×10^-3（x=16%），而晶粒尺寸从33.88 nm增至51.41 nm。电子密度图揭示x≥4%时氧空位（V_O^••）富集，引发局域电荷重排。

3.2 形貌分析
SEM显示x≤4%样品呈球形颗粒（粒径312-498 nm），而x=16%出现各向异性生长（1.228 μm）。EDX证实Fe仅在x=16%时检出（3.08 at.%），氧含量从14.76 at.%（x=0%）降至8.79 at.%（x=2%），表明Fe掺杂诱发氧空位。

3.3 介电分析
介电常数在居里温度（T_c≈135°C）出现峰值，x=0.5%时ε_r达5901（1 MHz）。高Fe浓度（x≥4%）导致ε_r骤降至2508，归因于氧空位对畴壁运动的钉扎效应。

3.4 光学分析
Tauc作图证实直接带隙，Eg从2.63 eV（x=0%）红移至2.35 eV（x=16%）。x≥4%时吸收边线性化，Urbach能量增至4.85 eV，反映Fe³⁺/Fe²⁺缺陷态引入。折射率n在可见光区随波长线性增加，消光系数k降低，增强光捕获能力。

该研究通过Fe掺杂实现BaTiO₃带隙与介电性能的协同调控：低浓度Fe（x=0.5%）优化介电响应，而高浓度（x=16%）促进可见光吸收。结构-性能关系表明，Fe²⁺取代引发的晶格畸变与氧空位是性能调控的关键因素。所开发的BaTi_1-xFe_xO₃陶瓷在可见光催化（如水分解、污染物降解）和介电器件（如多层电容器）中具有应用潜力，为环境友好型功能材料设计提供了新范式。