柔性不锈钢基底上一维纳米tio2薄膜的制备和表征-材料学专业论文.docx

摘要为了在柔性不锈钢基底上构建一维纳米 TiO2 结构，提高柔性染料敏化太阳能电池的效率， 本研究先采用直流磁控溅射的方法在不锈钢基底上沉积一层钛膜，然后通过水热反应法和阳极 氧化法将其转变成一维结构的 TiO2 纳米线和纳米管阵列。研究了溅射参数对钛膜形貌结构、水 热参数对 TiO2 纳米线结构以及阳极氧化参数对 TiO2 纳米管阵列结构的影响，并采用场发射扫 描电子显微镜（FESEM）、X 射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）以及光电性能测试 的方法对一维 TiO2 纳米线和纳米管阵列薄膜进行了表征。对直流溅射工艺参数的研究表明：增大溅射功率，薄膜致密度和沉积速率显著增加。升高 衬底温度，钛薄膜致密度和与基底结合强度增加，钛晶粒结晶性能提高。随着溅射气压的升高， 钛晶粒不断变大并团聚合并，薄膜致密度和结晶性能提高。延长溅射时间，钛晶粒尺寸变大， 结晶度增强，薄膜致密度明显提高。将钛膜置入 10mol·L-1NaOH 溶液在 140℃水热反应 24h 可以制备出锐钛矿型的平行于基底 生长的一维 TiO2 纳米线薄膜。单根 TiO2 纳米线长度达到几个微米，直径约 20nm。纳米线之间 相互交叉缠绕，形成一个三维网络结构。TiO2 纳米线薄膜较纳米颗粒薄膜具有优异的光电性能。 钛膜在 1mol·L-1 NaOH 溶液中，220℃下水热反应 24h，可以制得垂直基底生长的一维 TiO2 纳米 线薄膜。在 0.25wt%NH4F+1wt%H2O/乙二醇体系中通过阳极氧化可以得到一维有序 TiO2 纳米管阵 列薄膜。当热处理温度为 450℃时，薄膜有较好的光电性能。与 TiO2 纳米颗粒薄膜相比，纳米 管阵列薄膜具有更好的光电性能。在 0.5wt%NH4F+3wt%H2O/乙二醇体系中 60V 电压下制备得 到了 TiO2 多孔层修饰的 TiO2 纳米管阵列薄膜。与纳米管结构相比，多孔-纳米管复合薄膜能更 有效地分离电子-空穴对，产生更多的光生载流子，表现出更优异的光电性能。关键词：不锈钢，直流磁控溅射，钛薄膜，水热法，TiO2纳米线，TiO2纳米管阵列AbstractOne dimensional nano-TiO2 structure (nanowire and nanotube array) was prepared on flexible stainless steel substrate to improve the efficiency of flexible dye-sensitized solar cell by hydrothermal treatment or potentiostatic anodization of pure titanium films deposited by direct current (DC) magnetron sputtering. The effects of deposition parameters on the morphology of Ti films, hydrothermal parameters on the structure of TiO2 nanowire and anodization parameters on the structure of TiO2 nanotube array were studied comprehensively in this work. The samples were characterized respectively by field emission scanning electron microscopy (FESEM), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and photoelectric methods.The investigation on DC magnetron sputtering parameters indicated that the denseness and the deposition rate of Ti films were improved significantly with the increasing of sputtering power. The rise of the substrate temperature obviously promoted the densification and the crystallization of Ti films as well as the bonding strength between Ti film and the