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喷雾热解法制备二氧化钛薄膜及其亲水性能的研究

作　者: 马铭
导　师: 翁文剑
学　校: 浙江大学
专　业: 材料学
关键词: 喷雾热解法 TiO2薄膜易清洁超亲水掺杂
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
下　载: 298次
引　用: 2次
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内容摘要

介绍了TiO₂功能薄膜的发展概况。TiO₂在光能的作用下能够产生良好的光催化特性和超亲水性。利用TiO₂超亲水特性，在普通玻璃上镀一层TiO₂薄膜，沾染在其上的污渍能够容易的被水冲走，使玻璃具有易清洁的特性。这种易清洁玻璃易于维护，在生产和生活中有良好的应用前景。 TiO₂薄膜的亲水性能受到结构形貌及其禁带宽度的影响，锐钛矿相的TiO₂具有最好的亲水特性；平整均匀的表面不仅有利于水的铺展，而且透光率高，适于玻璃镀膜；薄膜禁带宽度降低有利于提高光能的利用率。根据超亲水TiO₂薄膜的要求展开了工作，通过对制备方法和原理的研究改进TiO₂薄膜的形貌，通过过渡金属离子的掺杂来降低薄膜的禁带宽度。目前常用的TiO₂镀膜方法主要有溶胶凝胶和反应磁控溅射等方法，溶胶凝胶法薄膜厚度难以控制，磁控溅射需要复杂的真空设备，成本较高，限制了TiO₂镀膜在工业上的大规模生产。喷雾热解法具有沉积温度、速率容易控制，对基板选择性低，所得薄膜形貌均匀致密等特点。而且设备简单，成本低廉，在大规模工业生产方面有很大潜力。根据防雾易清洁玻璃的性能要求，利用喷雾热解法，以透明载玻片为基板进行薄膜的制备。通过改变工艺参数获得了一系列TiO₂薄膜。并且制备了一系列组成的Fe³⁺或Zn²⁺掺杂TiO₂薄膜。通过XRD，SEM，AFM以及UV-VIS光谱分析等一系列手段对薄膜的结构和性能进行了全面的研究，并且测量了不同薄膜在接收光照后接触角的变化。沉积温度和热处理时间对薄膜材料的结晶度有较大影响。薄膜的表面形貌随着喷雾参数的改变发生了较大的改变，喷雾参数的改变使是雾化液滴大小和液流密度随之发生了一定改变。过大的液滴使薄膜表面不均匀，液滴过小又会使薄膜表面形成孔洞，只有液滴直径在一定范围内制备的薄膜才能满足要求。结果表明，在液滴直径为13μm，液流密度在0.10mL／（min·cm²）时制备的薄膜表面平整致密，有利于水滴的铺展。对掺杂样品的研究结果表明，先驱体成分的改变对成膜过程没有影响，结构和形貌与未掺杂试样基本没有区别。Fe³⁺掺杂离子的引入能够有效降低薄膜的光学能隙，提高薄膜的光响应范围，从而使薄膜的亲水性能提高；而Zn²⁺掺杂对薄浙往大’于倾卜、浏亿论文膜的亲水性能没有改善。本工作表明使用喷雾热解法可以有效的实现Tio:镀膜玻璃的制备，以及薄膜的金属离子掺杂改性。讨论了喷雾参数和液滴大小的关系以及对所得薄膜质量的影响，从而为本方法的工业化应用和推广到其它高质量薄膜的制备提供理论指〔己;J，。

全文目录

目录  8-10
第一章文献综述  10-28
  1.1 TiO_2光电半导体研究的发展及现状  10-11
  1.2 TiO_2的光催化机理  11-13
  1.3 TiO_2表面的超亲水性  13-16
  1.4 TiO_2薄膜的应用  16-17
    1.4.1 TiO_2易清洁薄膜  16
    1.4.2 TiO_2亲水防雾涂层  16-17
    1.4.3 污水处理  17
    1.4.4 医疗卫生  17
  1.5 TiO_2薄膜的制备  17-20
    1.5.1 溶胶凝胶法  17-18
    1.5.2 直流反应磁控溅射法  18-19
    1.5.3 CVD法  19
    1.5.4 阴极电沉积法  19
    1.5.5 粘结剂法  19-20
    1.5.6 喷雾热解法  20
  1.6 喷雾热解法介绍  20-26
    1.6.1 喷雾热解发生过程  20-22
    1.6.2 喷雾热解流程  22
    1.6.3 工艺过程及其影响因素  22-26
  1.7 选题角度的确定  26-28
第二章实验过程  28-35
  2.1 先驱体的选用  28
  2.2 实验设备与器材  28-30
    2.2.1 设备说明  28-29
    2.2.2 成膜设备的组成  29-30
  2.3 试样制备过程  30-31
    2.3.1 主要原料  30
    2.3.2 先驱体溶液的配制  30
    2.3.3 玻璃基板的清洗  30
    2.3.4 喷雾热解成膜  30-31
    2.3.5 实验流程图  31
  2.4 测试方法  31-35
    2.4.1 膜成分的测试  31-32
    2.4.2 膜结构和表面形貌的测试  32-33
    2.4.3 薄膜的厚度的测定  33
    2.4.4 薄膜的紫外-可见透射／吸收光谱分析  33
    2.4.5 光源的选择  33
    2.4.6 薄膜的亲水性能的测试  33-35
第三章 TiO_2薄膜的形貌、结构和成膜机理的分析  35-53
  3.1 薄膜的厚度分析  35-37
  3.2 薄膜的微观结构分析  37-46
    3.2.1 薄膜的XRD结构分析  37-40
    3.2.2 薄膜的表面形貌分析  40-44
    3.2.3 薄膜的纳米尺度形貌分析  44-46
  3.3 喷雾热解法成膜机理的探讨  46-52
    3.3.1 TiO_2薄膜的成膜过程  46-48
    3.3.2 薄膜的形成机理  48-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章 TiO_2薄膜的性能分析  53-65
  4.1 TiO_2薄膜的光学性能分析  53-58
    4.1.1 紫外-可见透射光谱分析  53-55
    4.1.2 薄膜的紫外-可见吸收光谱分析  55-57
    4.1.3 薄膜的光学能隙的计算  57-58
  4.2 薄膜的亲水性能测试  58-63
    4.2.1 薄膜的光致亲水性能测试  58-61
    4.2.2 薄膜亲水性能保持时间测试  61
    4.2.3 TiO_2薄膜亲水性能的分析与讨论  61-63
  4.3 本章小结  63-65
第五章 TiO_2薄膜的掺杂改性  65-73
  5.1 掺杂对薄膜结构和微观形貌的影响  65-67
  5.2 薄膜的成分分析(EDAX)  67-68
    5.2.1 Fe掺杂薄膜  67-68
    5.2.2 Zn掺杂薄膜  68
  5.3 掺杂对薄膜性能的影响  68-71
    5.3.1 薄膜的光性能分析  68-69
    5.3.2 薄膜光学能隙的计算  69-70
    5.3.3 薄膜亲水性能测试  70-71
  5.4 TiO_2薄膜掺杂改性讨论  71-72
  5.5 本章小结  72-73
第六章结论  73-74
参考文献  74-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间发表论文  81

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