直流式磁控溅射法制备Ta、N双掺TiO2复合薄膜及其亲水性研究

摘要

TiO2具有超亲水性，是自清洁膜材的首选材料，因该特性仅具紫外光响应大大限制其应用。改进其亲水性能的首要任务是实现TiO2的可见光响应。本文采用直流式反应磁控溅射法制备N掺杂TiO2薄膜和Ta、N双掺TiO2薄膜，使用靶材是纯度为99.99％的Ti靶和99.99％的Ta片，反应气体为高纯Ar、高纯O2、高纯N2;并采用射频式磁控溅射法制备SiO2预镀层，使用靶材为99.99％的SiO2靶，反应气体为高纯Ar、高纯O2。掺杂薄膜均在室温下制备，在空气中进行退火处理，并对掺杂薄膜的结构、表面形貌、吸光特性以及亲水性能进行表征。
　　具体的研究结果如下：
　　(1)N掺杂TiO2薄膜在400℃条件下退火1h即可生成锐钛矿结构的晶体。提高退火温度，延长退火时间，对薄膜表面结晶情况没有明显影响;
　　(2)双光束紫外-可见分光光度计测试结果表明，N掺杂可以提高TiO2薄膜的可见光响应，Ta、N共掺杂使吸收峰红移，可见光区域的响应范围增宽;
　　(3)XPS测试显示Ta、N元素在掺杂薄膜中分别以Ta5+和N3-形式存在，掺杂薄膜表面有明显-OH吸附，薄膜具有较好的亲水性能;
　　(4)N掺杂和Ta、N共掺TiO2薄膜均有较低的初始接触角，Ta、N双掺TiO2薄膜的接触角在日光照射条件下比N掺杂薄膜降低更快，在20min内降至4°;
　　(5) SiO2预镀层会与掺杂薄膜发生反应，有助于延长薄膜亲水性的保持时间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超亲水薄膜材料概述

1．1．1 表面浸润性

1．1．2 表面浸润性与自清洁材料的关系

1．2 TiO2的结构及其特性

1．3 TiO2研究的发展历程

1．4 TiO2的超亲水性

1．4．1 TiO2超亲水性机理

1．4．2 影响TiO2超亲水性的因素

1．3．3 TiO2超亲水性的改进方法

1．3．4 TiO2的超亲水性的应用

1．4 本课题的研究内容及意义

第2章 薄膜制备手段及表征方法

2．1 薄膜制备原理

2．1．1 溅射原理

2．1．2 溅射成膜过程

2．1．3 溅射薄膜的特点

2．1．4 溅射类型

2．2 薄膜制备

2．2．1 薄膜制备设备简介

2．2．2 基片的预处理

2．2．3 薄膜制备的工艺流程

2．3 薄膜性能表征

2．3．1 XRD物相分析

2．3．2 吸光度分析

2．3．3 薄膜亲水性分析

2．3．4 薄膜表面形貌分析

2．3．5 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．6 X射线光电子能谱分析

第3章 N掺杂TiO2薄膜的制备和性能分析

3．1 N掺杂TiO2薄膜的制备

3．1．1 样品制备的基本条件

3．1．2 N掺杂TiO2薄膜制备条件讨论

3．2 N掺杂TiO2薄膜的结构分析

3．3 N掺杂TiO2薄膜的吸光特性分析

3．4 N掺杂TiO2薄膜的表面形貌分析

第4章 Ta、N双掺TiO2薄膜的制备和性能分析

4．1 Ta、N掺杂TiO2薄膜的制备

4．1．1 样品制备的基本条件

4．1．2 样品溅射条件

4．2 Ta、N掺杂TiO2薄膜的结构分析

4．3 Ta、N掺杂TiO2薄膜的光电子能谱分析

4．4 Ta、N掺杂TiO2薄膜的吸光特性分析

4．5 Ta、N掺杂TiO2薄膜的表面形貌分析

4．6 Ta、N掺杂TiO2薄膜的亲水性分析

4．7 SiO2预镀层的制备及其影响

第5章 结论

参考文献

致谢