APCVD法TiO2-ITO復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、TiO2/ITO復(fù)合材料作為納米TiO2的半導(dǎo)體復(fù)合體系中的一種，不僅具有納米TiO2化學(xué)穩(wěn)定性高、光敏、無(wú)毒無(wú)污染的化學(xué)特性，同時(shí)兼具ITO玻璃高導(dǎo)電性、高紅外光反射率的物理性質(zhì)。目前已廣泛應(yīng)用于光敏化太陽(yáng)能燃料電池中。研究者用不同的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行材料的復(fù)合制備及性能研究，以優(yōu)化TiO2/ITO復(fù)合材料的性能并拓展其應(yīng)用范圍。
　　本文用常壓化學(xué)氣相沉積法（APCVD）研究TiO2/ITO復(fù)合材料的制備和性能，討論生長(zhǎng)機(jī)理，研究沉

2、積溫度、沉積時(shí)間、反應(yīng)原料配比（Si/Ti摩爾比）及氧氣流量對(duì)復(fù)合材料的成核生長(zhǎng)及光電性能的影響。并通過(guò)比較在普通玻璃基板上制備的單一TiO2納米材料，探究復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)。本課題研究表明：
　?。?）以ITO導(dǎo)電玻璃為基底，在沉積硅化鈦薄膜的基礎(chǔ)上成功誘導(dǎo)發(fā)育高密度的單晶金紅石相TiO2納米線，納米線與ITO膜層結(jié)合緊密，構(gòu)成TiO2/ITO復(fù)合材料。復(fù)合材料中大量生長(zhǎng)的納米線沿[001]方向生長(zhǎng)，直徑在10-50nm左右，長(zhǎng)

3、約1-2μm，長(zhǎng)徑比大于25。納米線生長(zhǎng)密度較高，分布均勻，生長(zhǎng)形態(tài)呈海膽狀，海膽狀的呈現(xiàn)形態(tài)較單根納米線比表面積大。
　?。?）實(shí)驗(yàn)中選擇合適的沉積溫度、沉積時(shí)間、Si/Ti摩爾比和 O2流量對(duì)復(fù)合材料中納米線的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。隨著沉積溫度的升高對(duì) TiO2納米線發(fā)育成熟有利，當(dāng)溫度為780oC時(shí)，硅化鈦顆粒周?chē)L(zhǎng)出的納米線密度變大，密集排列成簇，整體呈現(xiàn)海膽狀，納米線直徑和長(zhǎng)度分別長(zhǎng)至30nm和1.5μm左右， TiO2納

4、米線基本發(fā)育完全，此時(shí)復(fù)合材料的結(jié)合緊密度最好，但超過(guò)800oC的高溫導(dǎo)致氧化鈦成核速率下降，晶相含量降低，納米線變得細(xì)而蜷曲，納米線簇變稀疏，不利于復(fù)合材料的繼續(xù)發(fā)育成型；隨著沉積時(shí)間延長(zhǎng)，TiO2晶相生長(zhǎng)效率變高，并在240min時(shí)生長(zhǎng)狀態(tài)最好，當(dāng)沉積時(shí)間繼續(xù)增加，原料量不足等條件將對(duì)氧化鈦的成核及復(fù)合材料的成型產(chǎn)生不利影響；隨著Si/Ti摩爾比由1增加至5，ITO薄膜上首先沉積的誘導(dǎo)層由Ti5Si3晶相為主逐漸變?yōu)橐訲iSi2晶相

5、為主，TiSi2誘導(dǎo)生長(zhǎng)TiO2納米線的能力更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)表明 Si/Ti摩爾比為4時(shí)TiO2納米線表現(xiàn)出最好結(jié)構(gòu)形貌；隨著氧氣流量增加，系統(tǒng)中越來(lái)越多的氧氣有助于納米線堆積成型，其中14sccm的氧氣流量對(duì)TiO2納米線最有利，過(guò)高的氧氣量會(huì)打破納米線在形貌上各方向生長(zhǎng)的牽制作用，同時(shí)影響納米線與 ITO玻璃的結(jié)合度，此時(shí)的納米線變的粗短彎曲，TiO2納米線零星散落在樣品表面，排列無(wú)序混雜，生長(zhǎng)良莠不齊，對(duì)復(fù)合材料的成型不利。
　　

6、（3）研究了TiO2/ITO復(fù)合材料在紫外照射下對(duì)亞甲基藍(lán)的降解的光催化性能。在制備所得復(fù)合材料中，TiO2晶相含量高、結(jié)晶度大、納米線生長(zhǎng)繁茂、海膽狀納米線簇排列緊密、納米線與 ITO結(jié)合緊密等這些條件是體現(xiàn)最好光催化性能的必備因素。實(shí)驗(yàn)所得復(fù)合材料紫外照射下對(duì)亞甲基藍(lán)溶液降解率最高可達(dá)65％；TiO2/ITO復(fù)合材料的親水性能以水滴鋪展的光學(xué)接觸角大小為衡量標(biāo)準(zhǔn)。在制備所得復(fù)合材料中，晶相發(fā)育狀態(tài)好、線型生長(zhǎng)形貌好、復(fù)合膜層表明平整

7、度高的樣品表現(xiàn)出最佳的親水性。親水性最好時(shí)，紫外光照射后的水滴幾乎平鋪于樣品表面，光學(xué)接觸角接近0o；TiO2/ITO復(fù)合材料的電學(xué)特性以材料表面方塊電阻大小為標(biāo)準(zhǔn)。方塊電阻大小與復(fù)合膜層結(jié)合緊密度、膜層晶相含量及結(jié)晶度、膜層表面形貌密不可分。TiO2/ITO復(fù)合材料普遍方塊電阻較小，導(dǎo)電性能好，局部最小方塊電阻值可低至5.32×10-3?/sq。
　?。?）在同等實(shí)驗(yàn)條件下制備所得TiO2/ITO復(fù)合材料和單一TiO2納米線材料

8、各方面性能比較時(shí)，TiO2/ITO復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)明顯。由于ITO膜層對(duì)納米TiO2的缺陷彌補(bǔ)作用，復(fù)合材料中的納米線結(jié)晶度更高、密度更高、比表面積更大；與單一納米TiO2相比，由于ITO的存在限制光生載流子的復(fù)合，TiO2/ITO復(fù)合材料在降解亞甲基藍(lán)時(shí)瞬時(shí)降解速率高、降解穩(wěn)態(tài)到達(dá)時(shí)間短、降解程度更大；同時(shí)優(yōu)異的晶體生長(zhǎng)狀況和表面形貌與 ITO的彌補(bǔ)共同作用，使紫外光照射后水滴在復(fù)合材料表面延展性增大，表現(xiàn)出更優(yōu)異的親水性；材料中加入 I