磁控溅射制备NPs-Metal/介质纳米多层膜的光学性能和光催化活性研究

摘要

纳米尺度的金属颗粒具有众所周知的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和介电限域效应等，因此与块体金属相比，金属纳米颗粒(nanopartictes，NPs)表现出独特的光学、磁学和电学性能。分散金属纳米颗粒嵌入介质基体构成的复合薄膜中，由于金属颗粒具有表面等离子体共振效应(SPR)：使薄膜产生对特定波长可见光的选择性吸收，从而表现出显著的光学非线性效应；同时导致金属与介质界面的局域电场显著增强，使薄膜具有增强拉曼散射和荧光信号的光学特性。NPs-Metal/介质复合薄膜的SPR效应使其在光催化剂、光学传感器、太阳能电池等众多领域有着广阔的应用前景。TiO2具有光催化效率高、化学性质稳定、成本低廉等优点，然而其较低的量子效率和较窄的光谱响应范围，限制了污水处理、裂解水制氧和自清洁玻璃等方面的实际应用。TiO2薄膜中引入金属纳米颗粒构成NPs-Metal/TiO2,复合薄膜，可以提高载流子分离率和可见光吸收，是改善TiO2光催化活性的重要途径。
　　本文采用交替磁控溅射法制备了NPs-Metal/介质纳米多层薄膜，研究了：(1)SiO2介质层厚度对NPs-Cu/SiO2薄膜微观结构和光吸收性能的影响：(2)Ag层数对NPs-Ag/SiO2薄膜光吸收性能的影响：(3)NPs-Cu/TiO2和NPs-Ag/TiO2,薄膜的结构、光学性能和光催化活性。研究结果表明：
　　(1)NPs-Cu/SiO2薄膜中SiO2层厚度较小时，层间Cu纳米颗粒相互连接导致其间距、尺寸和局域折射率的变化，SPR光吸收峰产生一定移动：SiO2层厚度较大时，层间Cu颗粒连接消失且SPR耦合减弱，SPR峰持续蓝移：NPs-Metal/SiO2薄膜中金属纳米颗粒层数增加，Cu和Ag颗粒相应SPR峰强度增大，且峰位表现出一致的先红移后蓝移。
　　(2)衬底加热条件下，NPs-Metal/TiO2薄膜是由分立的Cu或Ag纳米颗粒层和连续的TiO2层够构成的交替多层结构：减小Cu或Ag沉积时间、增大Ag工作气压时，Cu和Ag颗粒的尺寸减小且间距增大，相应的SPR峰强度降低并发生显著蓝移。
　　(3)嵌入Cu纳米颗粒层数增加，NPs-Cu/TiO2复合薄膜的光催化活性先升高后下降，相对于纯TiO2薄膜，底层和中间各嵌入一层Cu颗粒的复合薄膜光催化活性的提高最为显著，而相同工艺沉积的NPs-Ag/TiO2复合薄膜则表现出更高的光催化活性，并具有良好的光催化降解稳定性；NPs-Ag/TiO2薄膜在有机物溶液浓度较高时光催化活性会下降，对降解有机物的种类不具有明显的选择性。
　　对NPs-Metal/介质纳米多层薄膜的研究结果表明，通过调节衬底温度和金属溅射工艺参数可以实现对金属纳米颗粒尺寸及间距的控制，从而进一步调控纳米复合膜的SPR光吸收性质并改善其光催化活性。