掺杂氮后对tio2薄膜的光学性质的影响

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1、掺杂氮后对TiO2薄膜的光学性质的影响材料科学与工程学院，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，分校，IL61801，USA收稿日期：2004年3月26日/接受：2004年10月19日网上公布：2004年11月25日©斯普林格出版社2004摘要含氮的二氧化钛薄膜与非金属元素掺杂对TiO2的光吸收范围扩大的潜力的影响进行了检查。玻璃和硅衬底上薄膜合成了纳米TiO2-xNx混离子束辅助沉积，获得很大的氮浓度。卢瑟福用散射光谱和X射线光电子能谱，对薄膜的成分进行了测定。通过X射线衍射，透射电子显微镜和原子力显微镜分析了薄膜的结构。对紫外-可

2、见光谱和椭圆偏振薄膜的光学性能进行了测试。观察薄膜的带隙值下降的趋势特征，在一定掺杂浓度的范围内增加。随着氮浓度的增加，结构的演变更加明显。减少了带隙的N2p轨道与氮掺杂二氧化钛薄膜。1引言由本田和藤在1972年发现以来，钛白粉已被广泛的研究，将其作为光敏作用的光触媒[1]。由于其强大的照片氧化潜力，化学稳定性高，无毒，成本低，二氧化钛已经成为各种形式的应用，从除臭的环境应用，如纳米粉体，胶体，薄膜和涂料，净化空气和水[1-11]。然而，随着它的宽能隙（3.2-3.8eV），纯二氧化钛光催化效率非常低的户外活动，其中仅5％在紫

3、外线范围内的太阳能是能够激活光催化反应的。以有效地使用太阳能，有必要扩展到可见光区域，在一个更高的比例（45％）的太阳能可用于光催化二氧化钛的吸收光谱。为了满足这一要求，早期的研究大多集中在合金与过渡金属[2，3]钛白粉上。最近，可见光光催化活性钛氧化物通过掺杂氮[4-9]，碳[10]，硫[11]，或氟[12]已获得。发现这些阴离子杂质的物种，要优于过渡金属掺杂，掺杂材料，光催化效率的稳定，缓解掺杂过程[7]。不同掺杂技术，带隙能量掺钛从2.32eV到3.45eV的报告的变化[10][14，16]。红成功转移到可见光的带隙，可

4、以开展广泛的可见光下的光催化调查[15]。虽然对上述研究进行了了解，但氮掺杂纳米TiO2-xNx混细粉末和薄膜[4-9]的影响，目前尚不清楚，如果掺杂浓度光吸收对任何结构和性能上有一定的影响和作用。到今天为止，与氮掺杂二氧化钛已实现由溅射在N2反应气氛[4,9]，在高温退火商业二氧化钛几个小时氨气流量下的温度[4,6]，氧化锡粉的退火[13]，或使用溶胶-凝胶过程中含氮前兆[14]。报告的掺杂浓度范围已经很狭窄，通常X≤0.02（1。％）[6]。在最近期的出版物中，开发了增强的合成路线，导致掺杂浓度在8％（X〜0.24）二氧化

5、钛纳米粒子[7]。除此之外，掺杂TiO2-xNx混有较高的氮对它的结构和性能的水平的影响尚未确定。该研究试图确定一个明确的关系可能之间存在浓度和光学柘吸收nitrogen-doped大型钛氧化物氮的浓度范围。这是集中的效果公司在氮的化学成分、结构、光学性质二氧化钛。准备xNx薄膜由ion-beam-assisted沉积(IBAD)技术。使用一种ion-beam过程对于这样一个资料有优势相对独立的工艺参数的控制。此外,提供了一个可行的方法的过程重氮掺杂(最高达到30%)。为氮浓度达到x=0.90(30%),具有很重要的意义在光学

6、吸收边缘变化进行了观察以及大量的光学转变是很强的依赖性在nitrogen-dopant浓度。其带隙的这个二氧化钛。xNx薄膜被发现在减少柘集中注意力。2实验方法这ion-beam-assisted沉积(IBAD)系统应用于该研究由一个3-cm-diameterKaufman-type离子源、一个3-kW电子束蒸发器和基体里一个加热器的持有人钽,如图所示schematically在图1。一个quartz-crystal监控被用来控制薄膜的膜厚以及表面的沉积速率。这确认后沉积膜厚度是由卢瑟福背向散射谱。标准硅(100)的晶片and

7、microscope载玻片作为底物在本研究为每个氮(两个样品吗内容)。他们是超声清洗丙酮先后与甲醇洗澡,吹干下的氮净化。在沉积底物打扫了1000-eVAr离子的5分钟除表面污染。Nitrogen-doped钛氧化物是由electronbeam沉积(四)蒸发钛的氧化物、anatase、99.9%(阿尔发Aesar、美国)。同时,日益增长的钛氧化物电影是氮离子轰击。在沉积,氮部分压力控制在稳定的价值亊10.5范围为5.0至3.0亊10.4托。工作压力化学镀锡的沉积速度进行调整和规范N联合组建。进行了沉积在一个基片温度400人。C,

8、而这些被选中的前一次报告的基础上TiOxNy电影,往往有anatase结构上温度[14、16)。表1图1作为对比,五个额外的标本也准备好了通过反应溅射用AJA国际cosputter系统。这个二氧化钛。xNx薄膜、约100-纳米厚,溅射沉积是在(100)硅片和硅玻璃幻灯片吗从一