二氧化钛薄膜的掺杂、复合及其性能研究

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1、摘要二氧化钛(Ti02)具有很强的光催化和亲水性能，且其化学性质稳定、无毒、成本低，是理想的光催化剂。其应用前景广阔，包括防雾、杀菌、消毒、防污、白清洁等等。前几年Science杂志连续报道有关Ti02研究成果，引起了TiOz的研究热潮。本文采用常压化学气相沉积(APCVD)和介质阻挡放电化学气相沉积(DBD．CVD)两种方法制备了Ti02薄膜。APCVD技术设备简单、成膜速度快、成本低，与浮法在线镀膜生产线配合可以制得性能优良和价格低廉的光催化功能镀膜玻璃：而DBD—CVD技术，能在常压下产生高能量的等

2、离子体，并根据不同的放电条件产生不同的放电方式控制薄膜的微观形貌，将其应用于Ti02薄膜的制各，能进一步提高Ti02薄膜的光催化性能。本文系统研究了制备条件、掺杂和复合对调整Ti02薄膜结构、提高Ti02光催化性能的影响，并探讨了相关机理。通过控制薄膜表面微观结构增加薄膜表面积，通过非金属(N)掺杂改变Ti眈的能带结构，通过二元复合半导体复合提高光生载流子的输送与分离。主要研究内容和结果如下：1．本征Ti02薄膜结构与性能研究本文用DBD--CVD技术制备了Ti02薄膜，系统地研究了衬底温度、电源电压、放

3、电气压对TiO：薄膜的结构与性能影响，发现随着衬底温度的升高，薄膜的结晶程度提高，光催化性能提高，这主要是由于具有光催化性能的锐钛矿含量随着温度的升高而增大所致。随着电源电压的增大，等离子能量提高，薄膜中锐钛矿结晶度增加，表面粗糙度增加，亲水性变好，光催化性也呈增加的趋势。随着放电气压的提高，薄膜的取向性变强，当薄膜在低压下生长时(】000Pa)，薄膜生长不存在取向性。当反应气压提高到大气压时(1X105Pa)时，沉积薄膜在(200)晶面上取向生长，呈明显的柱状取向，薄膜表面出现很多空洞，薄膜的表面积明显

4、增大。在常压下制备的样品的光催化效率比在低压下制备的样品提高了两倍。不同放电气压对薄膜的亲水性能影响不大。2．掺氮'rio：薄膜结构与性能研究分别用NH3和N20作为掺氮源，采用APCVD和DBD．CVD法制备了掺N二氧化钛薄膜，系统地研究了掺氮对Ti02薄膜结构与性能的影Ⅱ向，发现由于DBD—CVD等离子能量高，用DBD．CVD方法制各的Ti02薄膜的结晶度更高，通过DBD—CVD方法制各TiO：薄膜，只存在锐钛矿相，掺杂源的流量改变了锐钛矿相晶体生长的取向，从而影响薄膜的表面微观结构。通过APCVD制

5、各的Ti02薄膜，采用N20做为掺N源，Tj02薄膜中氧空位浓度增加，促进"ri02薄膜晶体结构由锐钛矿相向金红石相转变；采用NH3做为掺N源，一方面引入了Ti407相，另一方面由于TiNH2C13和TiNCI等中间产物的产生，抑制Ti02从锐钛矿相到金红石相的晶型转变。浙江大学博士学位论文DBD—CVD中存在能量较高的等离子体，相对于使用APCVD方法，用DBD-CVD方法制备的Ti02薄膜Ti-N键含量更高，其光学带隙向可见光方向的移动也更多。其中，使用DBD．CVD方法，以NH3为掺氮源，当Nil3

6、流量为120sccm时制备的Ti02薄膜的带隙最窄，达到了2．64eV。用APCVD和DBD．CVD法制备的掺氮Ti02薄膜均表现出优于相同条件下制备的纯Ti02样品的可见光诱导光催化性，而其在紫外光下的光催化性总体来说相对与纯Ti02样品变化不大。用DBD—CVD法，以NH3为掺氮源，当NH3流量为25sccm时制各的Ti02薄膜样品在可见光和紫外光下的光催化性能最好。这是由于该样品其结晶性能最好，结晶颗粒大，最大可以达到1000rim，在(200)晶面取向，晶粒形状为长方体，光学带隙相对较窄，能够增强

7、对可见光的吸收。3．复合薄膜体系的结构与性能研究设计并且制备了Sn02：F／Ti02复合薄膜体系，实现低辐射功能和自清洁功能的结合。Ti02薄膜分别在普通玻璃和在Sn02：F层上沉积，主要形成的为锐钛矿相。当Ti02沉积Sn02：F层上时，Sn02-F层诱导薄膜形成了高低不平的团簇结构。随着Ti02薄膜厚度的增加(25nm～590nm)，Sn02：F／Ti02复合薄膜体系的光催化性先提高，然后下降，当薄膜厚度为150nm时，Sn02：F／Ti02复合薄膜体系的光催化性达到最优。Sn02：F／Ti02复合薄

8、膜体系的亲水性呈现与薄膜光催化性相同的趋势。随着Ti02薄膜厚度从0nm增加到590nm，复合薄膜的中远红外反射率从O．744下降到O．526，这与通过测量表面电阻计算复合薄膜中远红外反射率的结果一致。探讨了复合薄膜中远红外反射率机制，sn02：F／Ti02复合薄膜体系的方块电阻值是由两层膜所形成的串联回路来决定的，SnO：：F／Ti02复合薄膜体系的中远红外反射主要来源于Sn02：F层。设计并且制备了a．Si：H／Ti02复