金红石疏水薄膜的强化直流磁控溅射制备方法

摘要

一种金红石疏水薄膜的强化直流磁控溅射制备方法,其特征在于强化直流溅射条件,采用高磁控钛靶溅射,并结合高溅射电流密度、高基板温度、低工作气压及高氧分压条件,以保证充分的电离和沉积薄膜的氧化,并使溅射稳定,提高沉积率。本发明制备的二氧化钛薄膜为含少量锐钛矿的金红石多晶结构,具有良好的耐摩擦性和疏水特性,表面附着力非常好,可用于玻璃镜片、陶瓷,幕墙玻璃和汽车后视镜等材料的表面镀膜,也可用于制备某些生物医药材料。

说明书

本发明涉及一种纳米二氧化钛薄膜材料的制备方法，尤其涉及一种具有金红石结构的二氧化钛薄膜强化直流磁控溅射制备方法，本发明制备的薄膜可用于环境保护、工程及生物医药材料，属材料工程技术领域。

二氧化钛(TiO₂)的表面在紫外光照射下可以具有良好的亲水性能和分解有机物质的本领，这类材料在紫外线的照射下可产生游离电子和空穴，因而具有很强的光氧化还原功能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，具有极强的防污、杀菌和除臭功能。由于二氧化钛的亲水和分解有机物质的能力，使得二氧化钛光催化材料的应用领域极为广泛：自清洁、防雾、杀菌、防污、除臭、空气净化、水的处理等。

二氧化钛光催化材料有三种形态，液态、粉末颗粒态和薄膜态。可用化学和物理两种方法制备。现有技术中，化学方法是目前制备二氧化钛最为普遍的方法，1997年R.Wang，等在Nature Vo1.388,431(1997)上报道用化学的方法成功制备出具有较强催化作用的二氧化钛薄膜,引起了广泛的注意，但用化学方法制备的薄膜的寿命极为有限，另外化学方法制备的产品的性能和使用范围也有很大的局限性，有些产品必须用物理的制备方法作为补充，以丰富二氧化钛产品的性能和使用范围。研究发现，二氧化钛(TiO₂)薄膜除了具有良好的光催化特性外，利用物理方法(磁控溅射)在一定工艺条件下制备的二氧化钛(TiO₂)薄膜，还具有非常好的疏水特性，而且这种特性并不会因为紫外光的照射而有所改变，这就极大地拓展了二氧化钛(TiO₂)薄膜的实际应用领域。目前用物理方法制备二氧化钛光催化薄膜不是很普遍，物理方法多种多样，其中以磁控溅射为目前通常采用的方法。但是，由于这一方法采用一般的反应溅射，对工艺要求很严格，如果工艺和技术处理稍有不当，所制备的材料就有明显的缺陷，成分不可控制、附着力和致密性差、不耐摩擦，特别是所制备的二氧化钛薄膜经摩擦后，其某些物理性能明显降低甚至完全消失。另外，目前制备二氧化钛薄膜的一般工艺，还存在氧化不完全，沉积速率低，溅射不稳定等问题。因此，必须改善其制备工艺和技术，以改善薄膜的质量，完善它的实际应用。

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新的制备二氧化钛金红石疏水薄膜的工艺方法，以提高薄膜的质量，完善薄膜的性能，更适合实际需要，拓展它的应用范围。

为实现这样的目的，必须提高靶表面的等离子体的磁控程度，使得溅射原子的能量更集中，同时采用高电流密度、低工作气压及高氧分压，以保证充分的电离和沉积薄膜的充分氧化，同时克服氧分压较高时，靶表面的氧化所带来的溅射不稳定，提高沉积率。另外，大的沉积率有助于减少薄膜中气体分子的含量，如果氧分子被较好的激活或电离，并且工作气压较低的话，氧离子会进一步作用在沉积薄膜上(同时基板温度适当的高)，形成高质量的氧化钛薄膜。

本发明强化了直流磁控条件，采用高磁控钛靶溅射，并结合高溅射电流密度、高基板温度、低工作气压及高氧分压条件制备二氧化钛薄膜，具体技术方案如下：采用钛靶溅射，靶表面磁场强度为1000高斯，靶面至基板的距离为7cm，衬底基板可采用硅片、玻璃、陶瓷和金属片等。制备时先烘烤真空室，待本底真空抽至1×10^-3pa后，在溅射靶附近通入氩气，保持氩气压约为1Pa，加高电压电离氩气产生辉光放电，调节氩气压至0.4Pa，溅射稳定后，在基板附近通入氧气，以便在真空室形成压强梯度，氧分子在这种条件下很容易被激活或者电离，工作气压仍维持在0.4Pa，分压比O₂∶Ar=1∶1。调节电压，使得此时的溅射电流密度约为50mA/cm²，沉积率此时约为0.7nm/s，若基板温度控制在360度附近，在这种条件下制备的二氧化钛薄膜具有含少量锐钛矿的金红石多晶结构。实验发现，溅射时的最佳工作气压为0.4Pa(O₂∶Ar=1∶1)，扫描电镜及相关对比实验发现在这种条件下制备的二氧化钛薄膜其表面情况最好(硬度、致密度、均匀性、附着力最佳)。薄膜厚度可根据需要以沉积时间确定，薄膜越厚，特性越突出，厚度应至少100nm。

通过X光衍射分析得到，所制备的二氧化钛薄膜在基板温度为360度时，容易形成含少量锐钛矿的金红石多晶结构，这种结构的薄膜具有良好的耐摩擦性和非常突出的疏水特性。

采用本发明方法制备的二氧化钛薄膜(薄膜厚度范围为100-2000nm)，有如下效果：基板斜置时，水无法在基板上面停留，疏水效果非常明显。另外在耐摩擦方面，普通方法制备的二氧化钛薄膜摩擦后，其疏水特性明显降低甚至完全消失，而用本发明方法制备的二氧化钛薄膜在这方面有很大改善，摩擦、洗涤后其疏水特性未见降低，这和薄膜质量的提高有极大关系。另外，本发明制备的二氧化钛薄膜的疏水特性，不会因为紫外光的照射而有所改变，而且不会生霉，这就极大地拓展了二氧化钛薄膜的实际应用领域。

本发明增强了溅射靶表面等离子体的磁控程度，提高了沉积原子的能量和自由程，氧化更充分，溅射也非常稳定，薄膜的沉积速率和质量有很大提高，薄膜的物理性能也有大的改善，更适合实际需要。

本发明制备的薄膜可用于玻璃镜片、陶瓷，幕墙玻璃和汽车后视镜等材料的表面镀膜，也可用于制备某些生物医药材料。

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例

在高电流密度、低工作气压条件下制备二氧化钛疏水薄膜，采用钛靶溅射，靶表面磁场强度为1000高斯，靶面至基板的距离为7cm，衬底采用硅片。制备时先烘烤真空室，待本底真空抽至1×10^-3Pa后，在溅射靶附近通入1Pa氩气，电压加至500伏电离氩气产生辉光放电，调节氩气压至0.4Pa，溅射稳定后，在基板附近通入氧气，工作气压维持在0.4Pa(O₂∶Ar=1∶1)，调节电压，使溅射电流密度为50mA/cm²，基板温度控制在360度，此时沉积率为0.7nm/s。

这种工艺条件下制备的二氧化钛薄膜具有含少量锐钛矿的金红石多晶结构，具有良好的耐摩擦性和疏水特性，表面附着力非常好。