TiO2薄膜制备与性能.docx

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1、书目中文摘要2英文摘要21结论32国内外探讨文献综述52. 1TiO?的结构51. 2TiO?薄膜亲水性原理62. 3相关参数对TiO,薄膜结构及其性能的影响63. 3.1晶粒尺寸64. 3.2结晶度和晶格缺陷65. 3.3表面积和表面预处理76. 3.4表面羟基77. 3.5薄膜厚度73试验部分73. 1试验系统介绍73.2 衬底的选择及清洗83.3 直流磁控溅射制备TiO?薄膜的试验步骤83.4 亲水性测试84试验结果及参数探讨94. 1氧流量对TiO薄膜的工作曲线的影响94.2 溅射功率的选择及其对薄膜的性能影响104.3 总气压对薄膜性能的影响124.4 氧负比对薄膜亲水性的影响134

2、.5 基片温度对薄膜性能的影响144.6 热处理对薄膜性能的影响16结论17谢辞17参考文献18直流磁控溅射法制备TiO二薄膜摘要：本文利用直流磁控溅射法在不同条件下制备玻璃基Ti(),薄膜样品，并检测了薄膜的超亲水性。探讨了沉积条件例如溅射总气压，氧气和负气的相对分压，溅射功率，基片温度和后续热处理对Tio2薄膜最佳性能的影响。试验结果显示：在较低温度下沉积的TiO?薄膜是无定型且亲水性较差。相反，在400C到500C范围内退火过后，薄膜表面呈现超亲水性能。本文在试验中获得的最佳制备条件为：溅射功率为94W,溅射气压在2.OPa,氧氧比是2:30,基片温度为4000C,最终在空气气氛中退火，

3、温度为450C关键词：直流磁控溅射：TiO?沌膜；超亲水性；退火温度PreparingTiO2EiImsbyDCReactiveMagnetronSputteringAbstract:InthispaperTiO2filmsaredepositedontheglasssubstratesbyDCreactivemagnetronsputteringatdifferentconditions.SuperhydrophilicityofTiO2thinfilmhasbeenexamined.Theinfluencesofthedepositionsuchasthetotalsputteringga

4、spressure,theirrelativeoxygenandargonpartialpressure,sputteringPOWer,substratetemper-atrueandpost-annealingtemperatureontheoptimumperformanceoftheTi2thinfilmarestudied.TheresultsshowedthattheTiO2thinfilmsputteredatlowtemperalureisamporphousandhasaratherpoorhydrophilicity.Incontrast,annealedatatemper

5、atureran-gingfrom400Cto500C,superhydrophilicityoftheanataseph-asedTiO2filmcanbeobserved.Thebestconditionsobtainedarethatsputteringpoweris94W,sputteringpressureis2.0Pa,oxygenargonratiois2:30,substratetemperatureis400Candannealingtemperatureinairatmosphereis450C.keywords:reactivemagnetronSputteringiTi

6、O2thinfilm;SUperhydrophiIicity;.annealingtemperatuie1绪论TiOZ有独特的光学、电学及化学性质，己广泛用于电子、光学和医学等方面。例如，作为氧传感器用于湿敏、压敏元件及汽车尾气传感器；作为光催化剂,可实现有机物的光催化降解,具有杀菌、消毒和处理污水等作用：利用其亲水亲油的双亲”特性,可使镀有Ti（薄膜的物体具有自清洁作用，从而达到防污、防雾、易洗、易干等目的：而金红石相TiO2薄膜是很好的人工心脏派膜材料。对于TiO,的探讨主要集中在制备、结构、性能和应用等方面。在TiO生能方面的探讨，尤以对其光催化性能的探讨最为丰富。由于TiO?具有高活性

7、、平安无毒、化学性质稳定（耐化学及光腐蚀）、难溶、成本低等优点，因此被公认为是环境治理领域中最具开发前途的环保型光催化材料。TiO.,作为光催化剂最初采纳的是悬浮相，但这种悬浮相的光催化剂存在难搅拌、易失活、易团聚和回收困难等缺点，严峻地限制了它的应用和发展。制备负载型光催化剂是解决这问题的有效方法,Ti03的薄膜型光催化剂已引起人们的极大爱好。1972年FUjiShima和HOnda在NatUre杂志发表了关于在Tiol电极上光分解水的论文，标记光催化自清洁时代的起先。自此,来自化学、物理、材料等领域的学者围绕光化学的转化和合成，探究多项光催化的开发以提高光催化的效率，做了大量的探讨工作，光

8、催化降解污染物时成为最活跃的探讨领域。为了扩大应用范南，人们将Tia以薄膜的形式负载于玻璃上，希望利用这种光触媒使玻喃具有自清洁的功能，但发觉仅仅是光催化作用还不能满意玻璃自清洁的要求。2019年科学家首次发觉TiO,薄膜的一种新特性一光诱导超亲水性并对其机理进行了说明，当TiOz薄膜表面被光照耀后润湿性得到很大改善，使其具有超亲水性，这种亲水表面使有机污物和无机污物不易坚固附着在玻璃上，在雨水的冲刷下简单去除。有了光诱导亲水性的保障，更借助Tio2的光催化氧化性使涂覆有Tio3薄膜的玻璃具有良好的自洁性能。自沽玻璃是新型的生态建材，可广泛用于玻璃幕墙、玻璃屋顶、汽车玻璃等行业中，具有重要的社

9、会效益和环境效益。由此科学工作者开发研制了很多制备TiOi薄膜的方法，例如溶胶一凝胶法、喷涂法、化学气相沉枳法和磁控溅射法等。但是溶胶一凝胶法和喷涂法所得到的Ti（,薄膜的膜厚匀称度难于限制：化学气相沉枳法所得到的薄膜及基体的附着力又较差，简单脱落：而磁控溅射法克服前面方法的缺点，能够获得附着力好、膜厚均一的Tia薄膜。本文目的主要是应用DC（直流）磁控溅射设备在玻璃基底上制备Ti0?超亲水性薄膜。应用dc（直流）磁控溅射设备制备Tia薄膜有以下优点：（1）能够限制薄膜的化学计量比；（2）简单获得高纯度的金属钛靶材：（3）由于金属钛靶材是导体可以干脆应用到DC（直流）磁控溅射设备上，避开了应用

10、困难、昂贵的RF（射频）磁控溅射设备；（4）金属钛靶材易于加工成型和及磁控靶连接：（5）金属钛靶材是热的良导体，易于冷却避开了工作过程的不稳定：（6）能够在低温条件卜.沉积TiO,薄膜。溅射时的条件确定了能否出现金红石、锐钛矿或是非晶结构。同时,i膜的晶粒大小也可通过限制溅射过程的参数如沉积速率、溅射气体、氧分压、基体、退火温度以及采纳一些特别的溅射工艺来加以调整。这样，可以使Tia,薄膜的性能满意不同应用领域的须要。2国内外探讨文献综述2. 1Tia.的结构TiOJKJ晶体结构有3种:金红石、锐钛矿和板钛矿。这些结构的共同点是,其组成结构的基本单位均是TiOt,八面体,而区分是这些Tia,八

11、面体是通过共用顶点还是通过共边组成骨架。锐钛矿结构是TiS八面体共边组成，而金红石和板铁矿结构则是由T100八面体共顶点且共边组成。因晶体结构不同，3种晶型的性能也有差异。就薄膜型的Ti()3而言，目前只观测到金红石和锐钛矿两种结构，尚未在Tio,薄膜中观测到板钛矿结构1.影响Ti()2薄膜结构的因素较多，目前探讨最多的是温度和氧分压对Tia薄膜结构的影响。表2.1Ti(的晶体结构锐钛矿(anatase)金红石(rutile)板钛矿(brookite)所属晶系四方晶系四方晶系斜交晶系晶格参数a=0.3785nm,c-0.9514nma=0.4593nm,c=0.2959nma=0.5456nm

12、,b=0.9182nm,c=0.5143nm锐钛矿相Ti0?具有良好的光催化性和光致亲水性。锐钛矿相的光催化性和光致亲水性的反应原理大同小异，实践中可检测其中随意一项也许判定薄膜是否有锐钛矿相。及金红石相相比锐钛矿型Ti(土的光催化活性最好，约为金红石型的300200()倍。无定形和板钛矿相的TiOz无光催化活性。肯定比例的混晶由于两种结构混杂增大了半导体氧化物晶格内的缺陷浓度而显示出更强的光催化活性，何建波等41认为锐钛矿及金红石的质量比为7：3的混晶（热处理温度670C）的光催化活性最强。2.2 Ti（薄膜亲水性原理TiO?是一种n型氧化物半导体，对锐钛矿结构的Ti0”其禁带宽度约为3.2

13、eV,相应的截止波长值约为380nm.它在波长短于38Onm的紫外线照耀下，表面产生氧空穴和电子，对应的TF转化为Ti:当表面有水分子时,空穴及水反应生成0H羟基，这种0H羟基使表面及极性水分子的相互作用变强，这样在氧空穴处形成了亲水区域。也就是说，在紫外光的照耀下，比0在TiO：表面的吸附由物理吸附转变为化学吸附，宏观上表现为水在其表面的接触角变小。TiO表面的氧及羟基（化学吸附水）的置换,形成二维毛细管现象。当行0:;表面不再受到紫外线照耀时,氧空穴有可能捕获电子或者活泼的羟基及其它气体发生化学反应而渐渐失去活性，宏观表现为水的接触角渐渐变大，即紫外线照耀后的Ti薄膜表面的亲水性能具有肯定

14、的寿命。因此，测量水在TiO/薄膜表面的接触角可以探讨Ti（薄膜的亲水性能。2.3 相关参数对TiO二薄膜结构及其性能的影响2. 3.1晶粒尺寸通常认为粒子尺寸越小,其光催化活性越高。纳米尺寸的TiO?具有更高的光催化活性，这是因为当半导体颗粒尺寸接近10nm时，出现量子尺寸效应，即半导体导带和价带变为分立的能级，能隙变宽，从而导带电位更负，价带电位更正,使其获得更强的氧化还原实力，因而催化活性大大提高。3. 3.2结晶度和晶格缺陷（上晶体发育不良，晶格缺陷多，将会降低Tio2的光催化活性。因缺陷（如空位、畸变、界面、位错等）是光生电子-空穴深层捕获的陷阱和复合中心。为了提高光生我流子的分别效

15、率，TiO:,须要有良好的结晶度、无或少晶格缺陷。4. 3.3表面积和表面预处理在其它因素相同时，增大TiOz的表面枳，有助于光生载流子的生成和反应物在表面的吸附，有利于光的汲取，从而使光催化实力提高。表面预处理对薄膜的光催化性能也有肯定影响。薄膜表面用水清洗和在室温下保存都会导致其光催化实力的显著下降71。上述光催化实力的下降和失效都可以通过紫外光源的预照舔来使其重新激活。5. 3.4表面羟基TiO2薄膜表面羟基是由于TiOZ薄膜表面的吸附水及TiOz发生水解作用引起的，可加入肯定量的添加剂来提高表面羟基的含量。早期的探讨认为，表面羟基在光催化反应中的作用主要是俘狭空穴，形成羟基、超负氧离子伪等活性化学物种，间接实现有机物的氧化，由此得出，TiS,薄膜表面羟基含量越高，光催化活性越强。随着探讨的深化，人们起先相识到表面羟基对催化活性的影响有双重作用，即它在俘获空穴以及形成氧化活性物种的同时，也可能成为载流子的复合中心，降低反应活性I6. 3.5薄膜厚度薄膜厚度不同，薄膜生长状况会有所差异，影响结晶的完整性；同时厚度的不同会导致薄膜中污染物的传输距离和紫外光的传播距离存在差异，从而影响其光催化性能。当薄膜厚度小于其特征厚度（特征厚度及耗尽层的厚度相当），其催化活性较低，增加薄膜的厚度能提高其催化活性；当薄膜的厚度及其特征厚度相当时，其催化活性较高；当