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离子束掺杂二氧化钛纳米薄膜光学性能的影响

作　者: 常丹
导　师: 祖小涛
学　校: 电子科技大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 离子注入氮掺杂TiO2薄膜射频磁控溅射晶体结构吸收光谱
分类号: O484.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

TiO2薄膜是一种性能优良的半导体材料,由于具有光催化活性高、化学性能稳定、安全无毒以及成本低廉等优点,作为环保型光催化材料在环境工程、生物医学、材料科学以及人们的日常生活等领域中都有着广阔的应用前景。但实现其可见光催化一直是研究的难点之一。本论文用射频磁控溅射法在各种不同的制备条件下在医用载玻片上成功地制备了TiO2薄膜,并提出了一种利用离子注入对TiO2薄膜进行N掺杂的方法。考察了不同的氧分压、基片温度、退火温度、水热处理温度对TiO2薄膜性能的影响,对N掺杂后的TiO2薄膜光学性能进行了研究。用X射线衍射(XRD)研究了TiO2薄膜的晶体结构,X射线光电子能谱(XPS)测试TiO2薄膜中元素的化学价态,用原子力显微镜(AFM)观察了TiO2薄膜的表面形貌,用紫外-可见光吸收谱(UV-Vis)测试了TiO2薄膜的光学性能。研究结果表明:1.用射频反应磁控溅射法在医用载玻片上成功地制备了TiO2薄膜,薄膜呈透明状态,表面晶粒均匀、致密,在可见光范围内,对光的平均透光率都在80%以上。各组TiO2薄膜在N掺杂后,薄膜的透明度下降,但其在紫外可见光区的吸收强度有明显的增强,且吸收边也会发生移动。2.基底温度对TiO2薄膜晶粒尺寸有很大影响,随着基底温度的升高,晶粒尺寸逐渐减小。在室温下制备出的TiO2薄膜为锐钛矿相结构;基底温度升高到300℃时,制备出的TiO2薄膜仍为锐钛矿相结构。该组薄膜在N离子掺杂后,光学性能发生变化。随着N离子注入量的增加,薄膜在紫外-可见光范围的光吸收加强,而且薄膜的吸收边向长波方向移动。3.制备过程中的氧分压对TiO2薄膜的结构、表面形貌和光吸收有很大的影响。随着氧分压的增加,薄膜中锐钛矿型的晶体结构的强度逐渐加强。该组薄膜在N掺杂后,随着N离子注入量的增加,薄膜在紫外-可见光范围的光吸收加强,而且吸收边向长波方向移动。4.经300℃~500℃退火1h处理后的TiO2薄膜其晶体结构均为锐钛矿型结构,当退火温度在400℃时,TiO2薄膜有发生再结晶的趋势;退火温度为500℃时,薄膜再结晶程度进一步加强。5.水热处理有利于TiO2薄膜的晶粒呈等柱状垂直于基底表面的择优生长,150℃水热处理4h时,TiO2薄膜为纳米尺寸的柱状晶粒。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-14
  1.1 论文的研究背景和意义  11-12
  1.2 论文的主要研究内容  12-13
  1.3 论文的主要研究结果  13-14
第二章 TiO_2薄膜的制备及可见光催化性研究  14-27
  2.1 TiO_2 的晶体结构和光催化性介绍  14-19
    2.1.1 TiO_2 的晶体结构  14-15
    2.1.2 TiO_2 的能带结构  15-16
    2.1.3 TiO_2 光催化原理  16-18
    2.1.4 TiO_2 光催化特性的研究发展  18-19
  2.2 TiO_2 薄膜的制备方法简介  19-22
    2.2.1 化学气相沉积（CVD）法  19-20
    2.2.2 液相沉积法  20
    2.2.3 物理气相沉积（PVD）法  20
    2.2.4 原子层沉积法（ALD）  20-21
    2.2.5 激光辅助分子束沉积法（LAMBD）  21
    2.2.6 电化学制备法  21
    2.2.7 溶胶－凝胶（Sol-Gel）法  21-22
    2.2.8 水热法  22
  2.3 掺氮TiO_2 薄膜的制备方法简介  22-26
    2.3.1 溅射法制备掺氮TiO_2  23-24
    2.3.2 脉冲激光沉积（PLD）  24
    2.3.3 胺盐与TiO_2 胶体反应  24
    2.3.4 加热法  24-25
    2.3.5 机械化学法  25
    2.3.6 加热含Ti、N 有机前驱体  25
    2.3.7 等离子体处理法  25
    2.3.8 离子注入法  25-26
    2.3.9 其它制备方法  26
  2.4 结论  26-27
第三章不同制备条件下TiO_2薄膜的光学性能  27-50
  3.1 引言  27
  3.2 实验方法  27-29
    3.2.1 磁控溅射技术简介及TiO_2 薄膜的制备  27-28
    3.2.2 TiO_2 薄膜样品的退火处理  28-29
    3.2.3 TiO_2 薄膜样品的水热处理  29
  3.3 主要分析方法  29-31
    3.3.1 X 射线衍射（XRD）  29-30
    3.3.2 原子力显微镜（AFM）  30
    3.3.3 X 射线光电子能谱（XPS）  30
    3.3.4 紫外-可见吸收光谱分析（UV-Vis）  30
    3.3.5 Eg 值的计算  30-31
  3.4 实验结果分析  31-49
    3.4.1 不同基底温度下制备的TiO_2 薄膜  31-35
    3.4.2 不同氧分压下制备的TiO_2 薄膜  35-39
    3.4.3 退火温度对TiO_2 薄膜光学性能的影响  39-44
    3.4.4 不同水热处理温度对TiO_2 薄膜光学性能的影响  44-49
  3.5 结论  49-50
第四章 N 掺杂对TiO_2薄膜光学性能的影响  50-60
  4.1 引言  50-51
  4.2 N 离子的注入掺杂  51-53
  4.3 实验与结果分析  53-59
    4.3.1 N 掺杂对不同基体温度下制备的TiO_2 薄膜光学性能的影响  53-56
    4.3.2 N 离子掺杂对不同氧分压下制备的TiO_2 薄膜光学性能的影响  56-59
  4.4 结论  59-60
第五章结论  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-67
攻硕期间取得的研究成果  67-68

离子束掺杂二氧化钛纳米薄膜光学性能的影响

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