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TiO_2薄膜的制备与掺杂特性研究

作　者: 李金泽
导　师: 苏晓东
学　校: 苏州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: TiO2薄膜溶胶-凝胶法射频磁控溅射光催化
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,纳米二氧化钛(TiO2)粉末因其优良的光特性在太阳能利用、自清洁、有机物降解等诸多领域具有广阔的应用前景而得到了广泛的关注。将这种材料薄膜化的同时仍然保持其纳米颗粒的光催化特性是一项具有挑战性的工作。本论文主要采用溶胶-凝胶和磁控溅射的方法来制备纳米尺度的TiO2薄膜,对其制备工艺、相成分、微观特性以及光催化特性、TiO2带隙调控等方面进行了细致的研究。首先,将钛酸四丁酯作为前驱体溶液通过溶胶-凝胶(Sol-gel)方法在玻璃基片上制备出不同厚度的TiO2薄膜,并在不同的热处理温度下研究其相结构和微观组织的演变过程以及光吸收特性。结果表明,500 oC是在玻璃衬底上形成锐钛矿结晶TiO2薄膜的较适宜后处理温度。然后,仍采用溶胶-凝胶方法将La掺杂到TiO2薄膜。结果表明:在500℃后处理仍然可以获得结晶性良好的锐钛矿相TiO2薄膜;随着La掺杂量的增加,薄膜中TiO2晶粒会变大,同时引起紫外可见光谱中吸收边的蓝移,亲水角(CA)随时间的变化也与未掺杂TiO2薄膜有很大不同。通常,射频磁控溅射的方法可以制备性能更优异的TiO2薄膜。通过工艺参数的调节,我们成功地制备出锐钛矿结晶TiO2薄膜。实验表明:在450oC的基片温度下,使用0.8 Pa的工作气压和20:2的Ar:O2流量比可以获得单一锐钛矿相的TiO2薄膜。紫外光照射分解甲基橙的实验表明具有单一锐钛矿相的TiO2薄膜具有较好的光催化能力,可以有效降解有机分子。在此基础上我们研究了利用磁控溅射方法制备了C、Mo掺杂TiO2薄膜的工艺方法。XRD和透射光谱的分析表明:C、Mo都不同程度地掺杂进入了TiO2晶格中;TiO2薄膜的光学带隙有了一定程度地减小;TiO2薄膜的吸收边发生了红移。结果显示C、Mo共掺杂TiO2薄膜有一种有效的提高其可见光利用的方法。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章引言  9-27
  1.1 光催化研究背景  9
  1.2 TiO_2 晶格结构  9-10
  1.3 TiO_2 的能带结构  10-11
  1.4 TiO_2 的光催化原理  11-12
  1.5 TiO_2 光催化的应用  12-13
    1.5.1 TiO_2 在净化空气中的应用  12
    1.5.2 TiO_2 的杀菌应用  12-13
  1.6 TiO_2 制备方法  13-16
    1.6.1 溶胶-凝胶方法  13
    1.6.2 金属钛片的阳极氧化方法  13-14
    1.6.3 金属钛片的直接热氧化方法  14
    1.6.4 其它制备方法  14-16
  1.7 影响TiO_2 光催化性能的主要因素  16-17
    1.7.1 晶型结构的影响  16
    1.7.2 比表面积的影响  16
    1.7.3 电子与空穴捕获剂的影响  16-17
    1.7.4 粒径的影响  17
  1.8 TiO_2 光催化的改性  17-21
    1.8.1 离子掺杂  18
    1.8.2 贵金属沉积  18-19
    1.8.3 半导体复合  19-20
    1.8.4 TiO_2 表面光敏化  20-21
  1.9 离子掺杂TiO_2 研究现状  21-23
    1.9.1 金属离子的掺杂  21-22
    1.9.2 稀土元素的掺杂  22-23
    1.9.3 非金属元素的掺杂  23
  1.10 本文研究意义和内容  23-25
  参考文献  25-27
第二章薄膜的制备、结构表征和光学性能的测试  27-40
  2.1 溶胶凝胶法制备TiO_2 薄膜  27-32
    2.1.1 溶胶凝胶法的形成和发展  27
    2.1.2 溶胶凝胶法原理  27-29
    2.1.3 溶胶-凝胶法的影响因素  29-30
    2.1.4 制膜设备及环境要求  30-32
  2.2 磁控溅射法制备TiO_2 薄膜  32-36
    2.2.1 磁控溅射技术简介  32
    2.2.2 磁控溅射技术的特点  32-33
    2.2.3 射频磁控溅射  33-34
    2.2.4 磁控溅射镀膜试验  34-36
  2.3 薄膜的结构表征  36-38
    2.3.1 膜厚的测量  36-37
    2.3.2 薄膜的结晶结构  37
    2.3.3 薄膜的表面形貌  37-38
  2.4 薄膜透射光谱分析  38-39
  参考文献  39-40
第三章溶胶–凝胶制备TiO_2/LA 掺杂TiO_2薄膜及其性能研究  40-53
  3.1 引言  40-43
    3.1.1 稀土离子掺杂  41
    3.1.2 稀土掺杂TiO_2 的作用机理  41-43
  3.2 实验方法  43-45
    3.2.1 TiO_2 溶胶的制备  43-44
    3.2.2 La 掺杂TiO_2 溶胶的制备  44
    3.2.3 溶胶凝胶法制备薄膜  44-45
  3.3 薄膜厚度对薄膜结晶的影响  45
  3.4 不同退火温度对薄膜结晶的影响  45-47
  3.5 镧的掺杂量对薄膜晶格结构影响  47-48
  3.6 镧掺杂对薄膜透射光谱的影响  48-49
  3.7 镧掺杂TiO_2 薄膜透射原子力显微镜分析  49
  3.8 薄膜亲水性能的分析  49-50
  3.9 本章结论  50-51
  参考文献  51-53
第四章反应磁控溅射制备TiO_2薄膜、C，MO 掺杂TiO_2薄膜及性质研究  53-65
  4.1 引言  53-56
    4.1.1 影响溅射镀膜性质的因素  55-56
  4.2 实验方法  56-57
  4.3 工作气氛参数对TiO_2 薄膜锐钛矿相形成的影响  57-58
  4.4 不同AR:O_2 比对TiO_2 薄膜锐钛矿相形成的影响  58-59
  4.5 TiO_2 薄膜的微观组织分析  59-60
  4.6 TiO_2 薄膜的透射谱分析  60-61
  4.7 光催化性能的测试  61-62
  4.8 C、MO 掺杂TiO_2 薄膜的XRD 分析  62
  4.9 C、MO 掺杂TiO_2 薄膜的透射谱分析  62-63
  4.10 本章结论  63-64
  参考文献  64-65
第五章总结  65-66
攻读硕士学位期间公开发表的论文  66-67
致谢  67-68

TiO_2薄膜的制备与掺杂特性研究

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