连续快速常压化学气相沉积法制备二氧化钛与掺杂二氧化钛薄膜及其性能的研究

摘要

本文介绍了TiO<,2>光催化性和亲水性的研究背景和原理,比较了各种TiO<,2>薄膜的制备方法,并总结了其光催化性和亲水性的影响因素. 目前,国内对在线沉积TiO<,2>薄膜的研究仍处于探索阶段.鉴于此,文中采用了自行设计的实验装置用以模拟浮法在线镀膜工艺过程.在该实验装置中,薄膜沉积在以一定速度移动的玻璃基板上,其特点为薄膜沉积时间短、沉积速率快. 本文结合浮法玻璃生产工艺,提出了以四异丙醇钛(TTIP)为先驱体,采用常压化学气相沉积法,在浮法玻璃片上制备具有光催化性和亲水性的TiO<,2>薄膜;并以此为基础,通过在前驱体中加入三氟乙醇(TFE)制备F掺杂TiO<,2>薄膜. 文中通过对薄膜的晶相、厚度和表面形貌等的表征,系统的研究了TiO<,2>薄膜性能与基板温度、基板移动速度、前驱体总气流量和前驱体TTIP浓度等关键工艺参数之间的关系.实验结果表明: 薄膜的光催化性能随薄膜的晶相、厚度和表面形貌的改变而变化.锐钛矿相的薄膜光催化性能明显优于其它相,结晶度越高的薄膜光催化性能也越好.薄膜厚度对薄膜的光催化性能有一个最佳值-300 nm.表面粗糙致密的薄膜光催化性能更好. 同样,薄膜的亲水性能也随薄膜晶相、厚度和表面形貌的改变而变化.锐钛矿相的薄膜亲水性能明显好于其它相,结晶度越高的薄膜亲水性能也越好.薄膜厚度较大时,厚度对薄膜的亲水性能无明显影响.平整致密的薄膜表面有利于水滴的铺展,即薄膜的亲水性能更好. 制备未掺杂TiO<,2>薄膜的最佳工艺条件为:基板移动速度为1.5 m/min时,基板温度580℃、反应总气流量26.34 L/min、TTIP浓度1.0﹪;基板速度为6.0 m/min时,最佳总气流量为26.34 L/rain. 此外,还研究了掺杂气体(TFE)对TiO<,2>薄膜结构与性能的影响.结果表明:TFE的引入会抑制薄膜中锐钛矿相的形成;随着TFE流量的增加,薄膜的光催化性和亲水性能都在TFE流量为5.94L/min时达到最好,且优于纯的TiO<,2>薄膜. 本工作表明利用模拟浮法在线镀膜的快速常压化学气相沉积装置可以有效的实现TiO<,2>镀膜玻璃的制备,为工业化应用提供必要的技术参数和理论指导.

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

第二章文献综述

2.1 TiO2半导体材料的发展

2.2 TiO2光催化性能研究

2.2.1 TiO2光催化机理

2.2.2 TiO2光催化性能的影响因素

2.3 TiO2超亲水性研究

2.3.1 TiO2超亲水性机理

2.3.2影响TiO2亲水性的因素

2.4 TiO2薄膜的应用

2.5 TiO2的制备方法

2.5.1溶胶凝胶法

2.5.2物理气相沉积

2.5.3喷雾热解法

2.5.4化学气相沉积法

2.6 TiO2光催化剂的改性

2.6.1沉积贵重金属

2.6.2过渡金属离子掺杂

2.6.3稀土元素离子的掺杂

2.6.4非金属掺杂

2.6.5复合半导体

2.6.6其他方法

2.6.7氟掺杂

2.7浮法在线镀膜工艺现状

2.8选题角度的确定

第三章实验

3.1快速APCVD实验装置

3.2实验原料体系

3.3样品的制备

3.3.1基板的清洗

3.3.2薄膜样品的制备过程

3.3.3薄膜样品制备过程中的工艺参数

3.4测试方法

3.4.1薄膜表面形貌的测定

3.4.2薄膜结构的测定

3.4.3薄膜光催化性的测定

3.4.4薄膜亲水性的测定

3.4.5薄膜光学性能的测定

第四章快速常压化学气相沉积法制备TiO2薄膜工艺和性能研究

4.1基板温度对薄膜的结构、形貌及自清洁性能的影响

4.1.1不同基板温度下制备的TiO2薄膜

4.1.2基板温度对沉积TiO2晶相的影响

4.1.3基板温度对沉积TiO2薄膜表面形貌的影响

4.1.4基板温度对薄膜光催化性能的影响

4.1.5基板温度对薄膜亲水性能的影响

4.1.6基板温度对薄膜光学性能的影响

4.2基板速度对薄膜的结构、形貌及自清洁性能的影响

4.2.1不同基板速度下制备的TiO2薄膜

4.2.2基板速度对沉积TiO2晶相的影响

4.2.3基板速度对沉积TiO2薄膜表面形貌的影响

4.2.4基板速度对薄膜光催化性能的影响

4.2.5基板速度对薄膜亲水性能的影响

4.2.6基板速度对薄膜光学性能的影响

4.3反应总气流量对薄膜的结构、形貌及自清洁性能的影响

4.3.1不同总气流量下制备的TiO2薄膜

4.3.2总气流量对沉积TiO2晶相的影响

4.3.3总气流量对沉积TiO2薄膜表面形貌的影响

4.3.4总气流量对薄膜光催化性能的影响

4.3.5总气流量对薄膜亲水性能的影响

4.3.6总气流量对薄膜光学性能的影响

4.3.7总气流量与基板移动速度之间的关系

4.4前驱体TTIP浓度对薄膜的结构、形貌及自清洁性能的影响

4.4.1不同TTIP浓度下制备的TiO2薄膜

4.4.2 TTIP浓度对沉积TiO2晶相的影响

4.4.3 TTIP浓度对沉积TiO2薄膜表面形貌的影响

4.4.4 TTIP浓度对薄膜光催化性能的影响

4.4.5 TTIP浓度对薄膜亲水性能的影响

4.4.6 TTIP浓度对薄膜光学性能的影响

4.5在线镀膜中化学气相沉积法成膜机理的探讨

4.6本章小结

第五章掺杂气体(TFE)量对TiO2薄膜结构和性能的影响

5.1不同掺杂气体(TFE)量时制备的TiO2薄膜

5.2不同掺杂气体(TFE)量对TiO2薄膜结构和组成的影响

5.3不同掺杂气体(TFE)量对TiO2薄膜光学性能的影响

5.4不同掺杂气体(TFE)量对TiO2薄膜表面形貌的影响

5.5不同掺杂气体(TFE)量对TiO2薄膜光催化性能的影响

5.6不同掺杂气体(TFE)量对TiO2薄膜亲水性能的影响

5.7本章小结

第六章总结与展望

参考文献

研究生期间发表的学术论文

致谢