納米TiO2薄膜的制備、表征與性能分析研究.pdf

1、納米TiO2在光催化污水處理、大氣治理和染料敏化太陽(yáng)能電池等環(huán)境與能源領(lǐng)域表現(xiàn)出的超化學(xué)穩(wěn)定型、高生物活性以及良好的光催化性能等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛的研究。但是由于TiO2在結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)使它在光催化降解污染物時(shí)，對(duì)光能的利用率較低，導(dǎo)致它的研究仍處于實(shí)驗(yàn)探索階段。因此，研究學(xué)者們針對(duì)如何提高TiO2對(duì)光能的利用率展開(kāi)了大量的研究，而通過(guò)實(shí)現(xiàn)TiO2薄膜的表面可塑性來(lái)降低它的結(jié)構(gòu)缺陷，以拓寬它對(duì)光能的利用率的研究具有重要的意義。
　

2、　本文采用磁控濺射法（Magnetron Sputtering，MS）、電子束蒸發(fā)法（Electron Beam Evaporation，EBE）和原子層沉積法（Atomic Layer Deposition，ALD）分別在Si和石英襯底上制備TiO2薄膜，并在N2氛圍下對(duì)其進(jìn)行退火處理。對(duì)于前兩種方法制備的TiO2薄膜，我們探討了不同退火溫度下TiO2薄膜的晶型結(jié)構(gòu)、表面形貌以及光學(xué)性能的變化。對(duì)于原子層沉積法制備的TiO2薄膜，探討

3、了不同條件的退火對(duì)不同循環(huán)周期數(shù)制備的TiO2的晶型結(jié)構(gòu)、表面形貌和光學(xué)性能的影響。利用X-射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、拉曼光譜（Raman）、和分光光度計(jì)等測(cè)試方法對(duì)薄膜的性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明，磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法制備的沉積態(tài)TiO2薄膜為非晶態(tài)連續(xù)平整的薄膜，經(jīng)400℃-5min退火后，磁控濺射法制備的TiO2薄膜晶型向銳鈦礦轉(zhuǎn)變，溫度升高至600

4、℃時(shí)，晶型結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。電子束蒸發(fā)法制備的TiO2薄膜當(dāng)退火條件為500℃-5min時(shí)，晶型向銳鈦礦轉(zhuǎn)變，受到退火時(shí)間的制約，結(jié)晶并不明顯。兩種方法制備的TiO2薄膜沉積態(tài)和退火態(tài)樣品光學(xué)透過(guò)率都很高，這與物理氣相沉積的原理導(dǎo)致薄膜致密平整有關(guān)。另外，退火后的TiO2的禁帶寬度相對(duì)沉積態(tài)有所增加，但升高退火溫度后禁帶寬度減小。
　　對(duì)于原子層沉積的TiO2薄膜，我們探討了沉積周期分別為1200cycles、2100cycles和

5、6000cycles的TiO2在不同退火條件下的晶型結(jié)構(gòu)、表面形貌以及光學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，原子層沉積的TiO2呈現(xiàn)明顯的顆粒結(jié)構(gòu)，其密集程度、顆粒大小和粗糙度與循環(huán)周期相關(guān)。通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行了XRD和TEM的表征，發(fā)現(xiàn)循環(huán)周期為1200cycles的沉積態(tài)TiO2的晶型為銳鈦礦結(jié)構(gòu)。另外，由于不同循環(huán)周期的TiO2表面粗糙程度和密集程度不一，造成光學(xué)透過(guò)率也有所差別，退火態(tài)的TiO2的光學(xué)透過(guò)率隨薄膜表面粗糙度的變化而變化，禁帶寬度受氧空

6、位濃度和 O-Ti-N化合物的影響也發(fā)生改變。
　　結(jié)合磁控濺射技術(shù)、旋涂技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)和退火干燥技術(shù)，在長(zhǎng)有Ti膜的Si和石英襯底上組裝具有一定空隙結(jié)構(gòu)的SiO2膠體球模板，選用原子層沉積法在膠體球模板的表層和空隙內(nèi)負(fù)載循環(huán)周期為2100cycles的TiO2，比較了沉積態(tài)和退火態(tài)負(fù)載型納米結(jié)構(gòu)TiO2的晶型結(jié)構(gòu)、表面形貌和光學(xué)性能的差異。并以10mg/L的甲基橙溶液作為待降解物，對(duì)比相同沉積周期的純TiO2和負(fù)載型Ti

7、O2的光催化性能。研究表明，利用原子層沉積法在基底上沉積TiO2會(huì)在SiO2膠體球上覆蓋一層TiO2，但同時(shí)表面也會(huì)出現(xiàn)TiO2團(tuán)聚顆粒。經(jīng)過(guò)退火后樣品的結(jié)晶質(zhì)量更加完善，表面粗糙度有減小的趨勢(shì)，氧空位濃度的增加也導(dǎo)致禁帶寬度變大，吸收邊緣發(fā)生藍(lán)移。相對(duì)純TiO2而言，負(fù)載型TiO2的Raman增強(qiáng)效應(yīng)更加明顯，但光學(xué)透過(guò)率會(huì)受到薄膜厚度的限制有所降低。經(jīng)過(guò)9h的紫外光照射后，退火條件為500℃-30min的負(fù)載型TiO2對(duì)甲基橙的分解