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能電池等環(huán)境與能源領域表現(xiàn)出的超化學穩(wěn)定型、高生物活性以及良好的光催化性能等優(yōu)點，近年來被廣泛的研究。但是由于TiO2在結構上的缺陷會使它在光催化降解污染物時，對光能的利用率較低，導致它的研究仍處于實驗探索階段。因此，研究學者們針對如何提高TiO2對光能的利用率展開了大量的研究，而通過實現(xiàn)TiO2薄膜的表面可塑性來降低它的結構缺陷，以拓寬它對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氛圍下對其進行退火處理。對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薄膜的晶型結構、表面形貌以及光學性能的變化。對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不同循環(huán)周期數(shù)制備的TiO2的晶型結構、表面形貌和光學性能的影響。利用X-射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、拉曼光譜（Raman）、和分光光度計等測試方法對薄膜的性能進行表征。結果表明，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400℃-5min退火后，磁控濺射法制備的TiO2薄膜晶型向銳鈦礦轉變，溫度升高至600

4、℃時，晶型結構未發(fā)生改變。電子束蒸發(fā)法制備的TiO2薄膜當退火條件為500℃-5min時，晶型向銳鈦礦轉變，受到退火時間的制約，結晶并不明顯。兩種方法制備的TiO2薄膜沉積態(tài)和退火態(tài)樣品光學透過率都很高，這與物理氣相沉積的原理導致薄膜致密平整有關。另外，退火后的TiO2的禁帶寬度相對沉積態(tài)有所增加，但升高退火溫度后禁帶寬度減小。
　　對于原子層沉積的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構、表面形貌以及光學性能。研究發(fā)現(xiàn)，原子層沉積的TiO2呈現(xiàn)明顯的顆粒結構，其密集程度、顆粒大小和粗糙度與循環(huán)周期相關。通過對樣品進行了XRD和TEM的表征，發(fā)現(xiàn)循環(huán)周期為1200cycles的沉積態(tài)TiO2的晶型為銳鈦礦結構。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，造成光學透過率也有所差別，退火態(tài)的TiO2的光學透過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。
　　結合磁控濺射技術、旋涂技術、反應離子刻蝕技術和退火干燥技術，在長有Ti膜的Si和石英襯底上組裝具有一定空隙結構的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負載循環(huán)周期為2100cycles的TiO2，比較了沉積態(tài)和退火態(tài)負載型納米結構TiO2的晶型結構、表面形貌和光學性能的差異。并以10mg/L的甲基橙溶液作為待降解物，對比相同沉積周期的純TiO2和負載型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會在SiO2膠體球上覆蓋一層TiO2，但同時表面也會出現(xiàn)TiO2團聚顆粒。經過退火后樣品的結晶質量更加完善，表面粗糙度有減小的趨勢，氧空位濃度的增加也導致禁帶寬度變大，吸收邊緣發(fā)生藍移。相對純TiO2而言，負載型TiO2的Raman增強效應更加明顯，但光學透過率會受到薄膜厚度的限制有所降低。經過9h的紫外光照射后，退火條件為500℃-30min的負載型TiO2對甲基橙的分解