TiO2薄膜的结构和光学性质的研究

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1、第48卷第5期武汉大学学报(理学版)Vol148No152002年10月J.WuhanUniv.(Nat.Sci.Ed.)Oct.2002,593～596文章编号:025329888(2002)0520593204XTiO2薄膜的结构和光学性质的研究Ì谢强,王取泉,魏正和,周正国(武汉大学物理科学与技术学院,湖北武汉430072)摘要:以金属钛为靶材,用反应射频溅射法制备了TiO2薄膜,并在600～900℃下进行了热处理.经XRD测量,在600～800℃下TiO2薄膜为锐钛矿和金红石两种结构的混合态,在900

2、℃下TiO2薄膜为纯金红石结构.研究TiO2薄膜的SEM照片和UV2vis透射光谱发现,不同的热处理温度会影响TiO2薄膜中锐钛矿和金红石两种结构的比例,从而导致TiO2薄膜的微观形貌、折射率、禁带宽度等性质的变化.关键词:TiO2薄膜;结构特性;光学性质+中图分类号:O484.41文献标识码:A别是研究其光学性能的报道还很少1本文以高纯金0引言属钛为靶材,用反应射频溅射法制备了致密的纳米尺寸的TiO2薄膜.在不同的温度下对其进行了热处TiO2薄膜是一种在可见光区有着高透过率、高理,得到了含有锐钛矿和金红石两

3、种结构的混合态折射率,在紫外光区有着强烈吸收的光学材料.其在的TiO2薄膜.并且通过XRD、SEM、UV2vis透射光谱抗反射涂层、多层光学涂层、光波导等方面有着广泛等手段,研究了热处理温度对混合态TiO2薄膜的表[1～3]的应用.TiO2薄膜的光学性质会随着制备方法面微观形貌、紫外2可见光区透过率、禁带宽度、折射和制备条件的不同而改变.目前制备TiO2薄膜的方率等性质的影响.目前这样的工作在国内还鲜有报[4][5][6]法大致有溶胶2凝胶法、CVD法、溅射法等方道.法.TiO2薄膜的特性可以通过热处理,掺杂

4、等方法来[2]改变.固态的TiO2主要有板钛矿、锐钛矿、金红石1实验过程等3种晶体结构存在.通过不同温度的热处理,可以得到3种不同结构的TiO2晶体.用国产JS2450A射频溅射仪,以分压比为2∶1目前国内多用溶胶2凝胶法制备TiO2薄膜,研究的氩气和氧气的混合气体作为反应气体,在5.2Pa其物理性质1应用溶胶2凝胶法制备薄膜的工艺比的气压,13.56MHz频率下,用320W的功率,对高较简单易行,但制备出来的薄膜不够均匀、致密.因纯金属Ti靶以石英玻璃为基底进行溅射,得到透明此,薄膜中不同区域的性质会有所差

5、别1而用射频的TiO2光学薄膜.并在不同的温度下进行热处理,得溅射法制备的薄膜均匀而且致密,光学性能优良.由到TiO2薄膜样品.用日本岛津XD23A的X射线衍射于用射频溅射法制备的TiO2薄膜与用溶胶2凝胶法仪(XRD),CuKα射线,在40kV,20mA的条件下测其制备的TiO2薄膜在微结构上有着许多差异,因此两XRD谱线.用HitachiX2650的电子扫描显微镜种TiO2薄膜的光学性质也有一些差异1目前国内(SEM)测量其表面形貌.用国产Tu21901紫外2可见采用射频溅射法制备TiO2薄膜的工作还不多

6、见,特光谱仪测量其紫外2可见透射光谱.X收稿日期:2002206215Ì通讯联系人E2mail:zhouzhenguo@yahoo.com基金项目:国家自然科学基金资助项目(59871033)作者简介:谢强(19772),男,硕士生,现从事光学材料及器件的研究.594武汉大学学报(理学版)第48卷2实验结果和讨论2.1X射线衍射谱线(XRD)图1是在600,700,800,900℃下热处理1h后TiO2薄膜样品的XRD谱线.图1600～900℃下热处理TiO2薄膜的XRD谱线图1中R表示金红石(Rutile)

7、结构,A表示锐钛矿(Anatase)结构.图中,2θ≈27°的金红石的(110)面的峰在不同温度的谱线中都是最强.2θ≈36°的金红石的(101)面的峰和2θ≈54°的金红石的(211)面的峰在不同的图2经不同温度热处理过的TiO2薄膜SEM4条谱线中都可以看到.2θ≈38°的锐钛(a)T退火=600℃(b)T退=800火℃矿的(004)面的峰在600,700,800℃热处理的谱线中可以看到.锐钛矿(101)面的峰,仅在600℃热处理的理1h的TiO2薄膜样品的SEM照片.谱线中可以看到.从上述分析可以知道,

8、在600,700,从图2中可以看到,TiO2薄膜制备的比较均匀800℃下热处理的TiO2薄膜中既有金红石结构又有致密,在微区中基本没有夹杂存在.晶粒尺寸基本都锐钛矿结构,是混和态结构.当温度上升到900℃在200～600nm范围之内.图2(a)中晶粒尺寸较小,后,图中已经看不到锐钛矿的结构了,变成了纯金红图2(b)中的晶粒尺寸较大.对于金红石结构的TiO2石结构.说明TiO2从锐钛矿到金红石的相变温