磁控溅射法ZnO薄膜及ZnO-TiO2复合薄膜的制备研究

摘要

由于传统粉末光催化剂在使用过程中存在产生二次污染、分离与回收困难等问题,因而薄膜光催化剂逐渐成为一个新的研究热点。玻璃由于价格便宜而且非常普通,在其表面涂上高光催化活性的ZnO薄膜将会使其在自洁净玻璃等环保领域具有广阔的使用前景。本文以高纯金属锌、金属钛为靶材,氧气为反应气体,选用普通载玻片作为基底,采用直流磁控溅射法制备ZnO薄膜,并采用双靶共溅射的方法制备不同复合量的ZnO-TiO2复合薄膜。借助扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等仪器,系统研究了直流磁控溅射工艺参数对薄膜表面形貌与结构的影响；并对其光催化性能及亲水性能进行了详细的研究。
　　 研究结果表明:采用直流磁控溅射法,在溅射功率为150W、工作气压为2.0Pa、沉积时间为60min、氧气、氩气流量都为40sccm、靶基距60mm的条件下,获得的ZnO薄膜表面平整致密,质量最优。并且ZnO薄膜经400℃退火后薄膜表面质量好,结晶程度高,C轴择优取向相对较好。
　　 采用双靶共溅射的方法成功制备了ZnO-TiO2复合薄膜,XRD分析表明,经复合后薄膜的晶体结构发生了改变,并且在Ti靶的溅射功率为150W时,出现了TiO2锐钛矿(101)面、(004)面和(112)面的衍射峰。
　　 对Zno薄膜进行结合力测试显示,ZnO薄膜的结合力约为21N。复合膜的结合力略有降低,约为17N。
　　 光催化性和亲水性的测定实验表明,对于ZnO薄膜,经400℃退火的样品对甲基橙的降解率高于其它温度退火的样品,且降解率和亲水性都随薄膜厚度的增加而提高。ZnO-TiO2薄膜的光催化性和亲水性明显高于单一ZnO薄膜,并且在Ti靶溅射功率为150W时ZnO-TiO2复合薄膜对甲基橙的降解率最高,其亲水性也达到最优。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 半导体光催化材料

1.1.1 研究背景

1.1.2 半导体光催化理论

1.2 ZnO薄膜光催化材料

1.2.1 ZnO的晶体结构特性及应用

1.2.2 ZnO的光催化原理

1.2.3 ZnO薄膜的常用制备方法

1.3 提高ZnO光催化性方法

1.3.1 表面染料光敏化

1.3.2 制备方法或条件的改进

1.3.3 过渡金属离子掺杂改性

1.3.4 非金属掺杂

1.3.5 贵金属掺杂

1.3.6 半导体复合

1.4 国内外研究现状

1.4.1 ZnO光催化材料的研究现状

1.4.2 ZnO-TiO2复合材料的研究现状

1.5 本课题主要研究意义及内容

第二章 实验方法和表征

2.1 实验设备与材料

2.1.1 磁控溅射原理

2.1.2 薄膜制备仪器及材料

2.2 实验过程

2.3 薄膜的表征

2.3.1 薄膜形貌及结构分析

2.3.2 薄膜厚度测量

2.3.3 膜基结合力检测

2.3.4 光催化性能测试

2.3.5 光诱导亲水性的测试

第三章 ZnO薄膜的制备

3.1 薄膜的形成与生长

3.1.1 薄膜的形成过程

3.1.2 薄膜的结构

3.2 ZnO薄膜制备工艺参数

3.3 工艺参数对ZnO薄膜形貌结构的影响

3.3.1 氧气流量对ZnO薄膜结构的影响

3.3.2 溅射功率对ZnO薄膜形貌的影响

3.3.3 工作气压对ZnO薄膜形貌的影响

3.3.4 沉积时间对ZnO薄膜表面形貌的影响

3.4 退火温度对ZnO薄膜形貌和结构的影响

3.4.1 退火温度对ZnO薄膜形貌的影响

3.4.2 退火温度对ZnO薄膜结构的影响

3.5 薄膜的成分分析

第四章 ZnO-TiOz复合薄膜的制备

4.1 ZnO-TiO2复合薄膜的制备工艺

4.2 复合薄膜的形貌和结构分析

4.2.1 Ti靶材的溅射功率对复合薄膜表面形貌的影响

4.2.2 复合薄膜的结构分析

第五章 薄膜厚度及结合力的检测

5.1 薄膜厚度测试

5.2 薄膜结合力检测

5.2.1 薄膜的附着机理

5.2.2 基片表面状态对结合力的影响

5.2.3 结合力检测方法及结果

第六章 薄膜的光催化性及亲水性检测

6.1 光催化性测定实验

6.1.1 实验原理及设备

6.1.2 光催化实验结果分析

6.2 亲水性测定实验

6.2.1 亲水性原理及检测设备

6.2.2 亲水性测试结果分析

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文