大规模真空蒸镀二氧化钛薄膜及其表征

摘要

21世纪是高科技的世纪，一场以节约能源和资源、保护生态环境、实现可持续发展为目标的新工业革命正在兴起，但环境污染和能源匮乏制约着人类文明的不断发展。因此寻求既能减少环境污染又能降低能耗的高效功能材料将成为当今工业发展的一个重要环节。弱N型的TiO2具有良好的化学稳定性、低成本、耐腐蚀、无毒等优点，能满足新时代经济、社会与生态环境持续、协调、稳定发展，广泛应用于光催化、太阳能、污水处理、空气净化、除菌杀毒、自洁防雾等方面。特别是TiO2薄膜因具有原材料消耗少、成本低、储量丰富、环境相容性好等特点而成为当今研究的热点。
　　 目前国内外有很多制备TiO2薄膜的方法，但应用于工业生产的方法大多不太成熟，一些制备方法繁杂，存在着能耗大、对环境污染严重、制备薄膜条件难以控制等缺点。而且许多数据都是实验经验，无法指导大规模生产实践，致使TiO2薄膜的制备、工艺设计及其应用存在一些问题。而且在实验室利用TiO2薄膜处理废气和废水的效率与在实际应用中的效率相差甚远，因此尽快研究用于工业化制备TiO2薄膜的方法意义重大。国内大多只限于实验室的研究水平，较少有投入实际应用的报道。
　　 本文采用ZDL-2051大型真空镀膜机实现二氧化钛薄膜的大规模制备，主要研究在工业化条件下制备的TiO2薄膜的结构与性能，为薄膜在工业化大规模生产中，提供有效的TiO2薄膜制备方法。对制备的TiO2薄膜进行了SEM、AFM、XRD、紫外可见光吸收光谱、亲水性的测试及分析。研究了制备TiO2薄膜的工艺参数与颗粒尺度和微观结构之间的内在联系，找出在一定条件下生产制备TiO2薄膜颗粒尺寸最佳工艺条件，为TiO2薄膜产业化生产提供直接的指导依据。试验中利用真空蒸镀方法制备的TiO2薄膜，薄膜均匀致密，膜层牢固，成膜速率快，且膜厚易控制，实现了在金属与非金属基底材料上蒸镀TiO2薄膜。
　　 在对以玻璃为基底制备的TiO2薄膜的研究中发现：TiO2薄膜的基底材料、厚度、热处理温度和时间影响着TiO2薄膜的晶体组织、结构和薄膜性能。结果表明：相比于Ti2O3和Ti3O5为镀膜原料制备的薄膜，以纯TiO2粉末为镀膜原料制备的薄膜有更纯的晶相组成，但光学性能和亲水性能相差不大；不同的镀膜时间对薄膜的性能影响很大，蒸镀4.s得到的TiO2薄膜均匀性好，表面晶粒尺寸相差小，光吸收性能和亲水性能好。
　　 在对玻璃基底蒸镀4.s制备的TiO2薄膜进行热处理的研究中发现：相对于其它退火时间而言，退火两小时使薄膜有更好的光吸收性能和亲水性能。在室温条件下，TiO2薄膜具有无定型结构；在300℃～500℃的条件下，TiO2薄膜退火2小时后以锐钛矿晶型为主，600℃退火的TiO2薄膜明显向金红石型转变。随退火温度的升高，薄膜对紫外光和可见光的吸收有明显提高，并出现了明显的红移现象。此外，亲水性也随退火温度的升高而变强，500℃和600℃退火的TiO2薄膜表面出现超亲水性。
　　 通过前期的研究铺垫，后续工作将进一步优化工艺、扩展研究，实现功能性TiO2薄膜的大规模制备。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 文献综述

1.1 引 言

1.2 TiO2薄膜的制备技术进展

1.2.1 溶胶—凝胶法

1.2.2 化学气相沉积法

1.2.3 溅射沉积法

1.2.4 液相沉积法

1.2.5 分子与原子束外延技术

1.2.6 真空蒸发法

1.3 蒸镀法的影响因素

1.3.1 基底材料

1.3.2 基底温度

1.3.3 环境污染

1.3.4 蒸积速率

1.3.5 入射角

1.4 蒸镀法研究进展

1.5 TiO2的晶体结构

1.5.1 金红石(Rutile)

1.5.2 锐钛矿(Anatase)

1.5.3 板钛矿(Brookite)

1.6 TiO2薄膜的应用

1.6.1 光催化

1.6.2 光电转化

1.6.3 污水处理

1.6.4 太阳能电池

1.6.5 净化空气

1.6.6 抗菌建材

1.6.7 防雾自清洁

1.7 本论文研究目的及主要内容

1.7.1 本课题研究的目的和意义

1.7.2 课题研究的主要内容

第二章 实验过程

2.1 TiO2薄膜制备

2.1.1 镀膜设备结构

2.1.2 基片清洗

2.1.3 薄膜制备工艺参数

2.1.4 真空的获得

2.1.5 薄膜制备过程

2.2 热处理工艺

2.3 晶体结构分析

2.4 形貌测试

2.5 亲水性能测试

2.6 光学性能测试

第三章 TiO2薄膜制备及其组织结构和性能的影响

3.1 不同基底对TiO2薄膜组织结构影响

3.1.1 TiO2薄膜的显微组织

3.1.2 TiO2薄膜的亲水性能

3.2 不同镀膜原料对TiO2薄膜组织结构及性能的影响

3.2.1 TiO2薄膜的晶体结构

3.2.2 TiO2薄膜的显微组织

3.2.3 TiO2薄膜对UV-Vis吸收分析

3.2.4 TiO2薄膜的亲水性能

3.3 薄膜厚度对TiO2薄膜组织结构及性能的影响

3.3.1 TiO2薄膜的显微组织

3.3.2 TiO2薄膜对UV-Vis吸收分析

3.3.3 TiO2薄膜的亲水性能

3.4本章小结

第四章 热处理对TiO2薄膜组织结构及性能的影响

4.1 退火时间对TiO2薄膜光学性能和亲水性能的影响

4.2 退火温度对TiO2薄膜组织结构及性能的影响

4.2.1 TiO2薄膜晶粒大小的影响

4.2.2 TiO2薄膜的晶体结构

4.2.3 TiO2薄膜的显微组织

4.2.4 TiO2薄膜对UV-Vis吸收分析

4.2.5 TiO2薄膜的亲水性能

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致 谢

硕士研究生期间发表的论文