射频磁控溅射沉积法制备可见光响应的TiO光催化薄膜.docVIP

射频磁控溅射沉积法制备可见光响应的TiO2光催化薄膜 通过应用离子工程技术，也就是射频磁控溅射沉积法（RF-MS），能够诱导光生反应TiO2光催化薄膜被成功发展到单步制程工序上。在超过773K（500℃）温度条件下制备的TiO2薄膜显示出对可见光有效吸收的特性；而另一方面，在573K（300℃）左右温度条件下制备的TiO2薄膜却显示出高穿透特性。这清楚的意味着TiO2薄膜不仅吸收紫外光而且吸收可见光的光学特性可以通过改变射频磁控溅射沉积的温度进行控制。研究发现，在275K（2℃）可见光（波长450nm）辐射下，发现了NO到N2和N2O的还原分解反应，显示了这种可见光响应的TiO2薄膜具有有效的光催化作用。从各种特性表征中，只有在这种可见光响应的TiO2薄膜中发现了排列整齐的柱状TiO2晶体，预计是这种独特的结构改变了TiO2半导体的电学特性，从而提高了可见光的吸收效率。 关键字：光催化，TiO2薄膜，可见光，射频磁控溅射沉积法 介绍 近几年，TiO2光催化作用在各种领域得到大量的研究试验。尤其是TiO2薄膜被涂布在各种基片上作为光学器件材料有着极具吸引力的应用，其不但具有高的光催化反应，而且在紫外线照射下还具有高可湿性。尽管许多应用TiO2光催化作用的产品已经开始着手生产，但都没有采取可见光吸收，因此必须使用一个紫外线光源。然而，为了实现清洁安全的化学过程，也就是在大量太阳能中应用，在可见光下也能实现光催化作用的需求变得日益迫切。因为能够被广泛应用一个重要的考虑是TiO2光催化薄膜的制备成本，各种制备方法已经被大量的研究，如凝胶法、CVD法，PECVD法等。在这些方法中，发现射频磁控溅射沉积法较适合实际应用，因为其不仅生长速率快，且能够在大面积各种不同基板上生长。 之间我们有报道过通过金属离子植入进TiO2粉末和薄膜中，使其电学性能得到改变，实现可见光的吸收。然而，这个方法需要两道工序：(1)使用离子束沉积方法制备透明的TiO2薄膜；(2)通过一个更高级的金属离子植入过程实现TiO2半导体电学性能的改变。因为这种复杂的制备方法在大规模生产时成本较高，而为了推广应用，迫切需要很多更简单的TiO2光催化薄膜制备方法。 本文中，一种更有实际应用选择的制备制程，也就是射频磁控溅射沉积法，被成功的应用到透明TiO2薄膜的发展上，这种薄膜可以在紫外线和可见光照射下带来有效的光催化反应。 实验 实验中使用射频磁控溅射沉积法制备TiO2薄膜。在丙酮中用超声波清洗石英衬底15分钟，并在373K（100℃）温度下干燥半天，然后在空气中加热到723K（450℃）持续5小时以得到非常干净的表面。在沉积TiO2薄膜前，把石英衬底放入高真空反应腔，通过机械旋转泵和涡流分子泵把压力降到5×10-4Pa（3.8×10-6Torr）以下。图1为反应生长示意图。氩气中氩离子(Ar+)在电磁场作用下以非常高的速度撞击在TiO2靶材表面，生成溅射离子，如Ti4+和O2-，这些离子聚集在衬底表面形成TiO2薄膜。在通常的溅射反应中，氧化物薄膜的制备是通过在O2作为反应气体的气氛中溅射金属Ti薄膜（反应形成）。然而，本次研究中，因为金 图1. 射频磁控溅射沉积法反应生长示意图 红石结构(High Purity Chemicals Lab. Corp. 纯度：99.99%，金红石是较纯的TiO2，复四方柱锥型)的TiO2被作为离子源（溅射靶材），只有氩气被作为溅射气体，O2不再其中充当反应气体。生成的TiO2薄膜的物理化学、机械、光学性质强烈受影响于制备条件，如RF功率、衬底温度、靶材和衬底距离DTS、溅射气体流量、等等。RF功率调到300W，衬底温度从373K（100℃）到973K（700℃）变化，靶材和衬底距离固定在80mm。氩气流量保持在25sccm，在沉积步骤溅射气体压力大约为2.0pa(1.5×10-3torr)。因为TiO2薄膜在高真空条件下沉积，杂质的污染可以得到很好的控制。（沉积）之后，没有做退火处理。通过改变沉积时间，薄膜厚度控制在1um左右。 通过XRD（X-ray diffraction ，X射线衍射Rigaku,RINT-1200）和UV-Vis（紫外-可见）吸收量测(Shimadzu, UV-2200A)对TiO2薄膜特征参数进行测试。通过SEM (扫描电子显微镜Hitachi, S-4700) 和AFM (原子力显微镜Seiko Instruments, SPA300)对表面形态进行分析。此外，通过AES(原子发射光谱仪，ULVAC-PHI, SAM670)对TiO2薄膜从顶部表面到内部的原子结构成分进行分析。 在紫外线（λ270 nm)）或可见光（λ450 nm)）照射下，通过NO分解程度对TiO2薄膜的光催化反应进行评估。光源使用一