多晶二氧化钛薄膜的制备、结构和光学性质

摘要

TiO<,2>薄膜具有大的折射率和介电常数、在可见光和红外波段有具良好的透过率以及良好的耐磨性和热稳定性，因而被广泛应用于光学薄膜、微电子器件和保护涂层。本论文采用对向靶直流反应磁控溅射法制备了多晶TiO<,2>薄膜，系统研究了退火处理和金属离子掺杂对其微观结构、表面形貌和光学性质的影响。 通过对制各态多晶TiO<,2>薄膜的研究，发现随着溅射气压的降低，多晶TiO<,2>薄膜从锐钛矿相转变为锐钛矿和金红石两相共存结构，薄膜中金红石含量的增加抑制了锐钛矿相晶粒的生长。由于溅射粒子能量和迁移率的降低，薄膜的表面粗糙度随着溅射气压的升高而增加。用Hermite插值计算了透射光谱的包络线，并根据Swanepoel的“包络线法”计算了薄膜的折射率。在波长为550nm时，多晶TiO<,2>薄膜的折射率在2.320-2.42之间。在波长接近350nm时，多晶TiO<,2>薄膜对入射光强烈吸收，并且吸收边随着溅射气压的升高逐渐蓝移。金红石相含量的增加造成了多晶TiO<,2>薄膜结构的无序，使光学带隙值从～3.35 eV降低到～3.29 eV。 通过研究退火处理对多晶TiO<,2>薄膜结构和光学性质的影响，发现退火处理促进了薄膜中锐钛矿相和金红石相的结晶化。锐钛矿和金红石两相共存的多晶TiO<,2>薄膜经退火处理后锐钛矿晶粒尺寸明显长大，进一步说明在制备态的多晶TiO<,2>薄膜中金红石相的存在抑制了锐钛矿相的结晶生长。退火处理使薄膜的表面粗糙度降低、致密度增加、折射率增大。退火处理的多晶TiO<,2>薄膜的光学带隙值比制备态略有增大，但是锐钛矿和金红石两相共存结构的多晶TiO<,2>薄膜的光学带隙值仍然相对较小。 在锐钛矿结构的多晶TiO<,2>薄膜和锐钛矿金红石两相共存的多晶TiO<,2>薄膜中分别掺入了不同含量的Fe元素，分析表明Fe的掺入并没有改变Ti原子的化学态，薄膜为Fe<,2>O<,3>和TiO<,2>的混合体。Fe的掺入促进了薄膜中锐钛矿相向金红石相的转变，降低了薄膜的表面粗糙度，增加了薄膜对可见光的吸收。薄膜的吸收边随着Fe掺入量的增加向长波方向单调移动。

目录

文摘

英文文摘

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第一章前言

1.1 TiO2的晶体结构和基本性质

1.2光学常数和光学带隙

1.3 TiO2光催化活性的研究现状

1.4本论文的主要工作

第二章TiO2薄膜的制备和表征

2.1对向靶磁控溅射原理

2.2 TiO2薄膜的制备

2.3 TiO2薄膜的结构表征与光学性质测量

第三章多晶TiO2薄膜的结构和光学性质

3.1 TiO2薄膜的溅射速率

3.2制备态多晶TiO2薄膜

3.3退火多晶TiO2薄膜

3.4本章小结

第四章Fe掺杂多晶TiO2薄膜的结构和光学性质

4.1 Fe掺杂量和化学态的确定

4.2 Fe掺杂多晶TiO2薄膜的结构和形貌

4.3 Fe掺杂多晶TiO2薄膜的光学性质

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢