本文選題：二氧化鈦薄膜　切入點：磁控濺射　出處：《華中師范大學》2017年博士論文

【摘要】：由于價廉、無毒,而且具有高度的化學穩(wěn)定性和抗光腐蝕性以及優(yōu)良的光電特性,二氧化鈦在光催化領域廣受重視,并廣泛應用于化學工業(yè)、建筑材料、食品工業(yè)、環(huán)境保護、電子工業(yè)和化妝品行業(yè)。但是二氧化鈦的帶隙較寬,對應的光響應區(qū)域主要位于紫外光區(qū),而太陽照射到地球表面的光較少部分位于紫外光區(qū),因此其對太陽光的吸收較少,如何降低二氧化鈦光催化劑的帶隙寬度并提高可見光響應是一個需要解決的課題。為了應對日益突出的環(huán)境壓力,很多研究致力于降低二氧化鈦的帶寬來拓展其對可見光的響應,從而提高其對污染物的催化降解能力。各種方法被用來降低二氧化鈦的帶寬來拓展其對可見光的響應,提高催化劑的量子產率。各種金屬元素摻雜、非金屬元素摻雜、共摻雜、貴金屬修飾、染料敏化、半導體復合被用來對二氧化鈦進行改性,這些方法可以使得在二氧化鈦帶隙間產生新的能級,或者使得二氧化鈦的導帶或價帶的帶邊發(fā)生移位,進而降低其禁帶寬度擴大光譜響應范圍,促進光生電子和空穴的分離、降低其復合率,提高光催化反應的量子產率。相較于其他二氧化鈦催化劑制備方法,濺射制備的二氧化鈦薄膜機械附著力很強,作為催化劑時無需像粉末催化劑一樣需要過濾回收清洗,抑或需要重新選擇基材涂覆,而且催化劑損耗也小,具有極大的便利性。此外,磁控濺射制備薄膜,可以非常方便的在靶材之中或其上添加其他元素,以及改變?yōu)R射工作氣體進行不同元素的摻雜。因此磁控濺射制備二氧化鈦,不光在光學薄膜上有巨大用途,在光催化領域也有廣闊的應用前景。為了窄化二氧化鈦的帶隙寬度,提高其對可見光的響應范圍,本文采用磁控濺射法制備了二氧化鈦薄膜,并對其進行了N摻雜改性研究,還探索出低溫制備金紅石相二氧化鈦的方法,并進一步通過對其復合,獲得了不同催化活性的二氧化鈦,研究了不同晶相二氧化鈦之間的協同作用機理。一、采用磁控濺射法,N2和Ar混合氣體作為濺射工作氣體,在載玻片上制備了不同的二氧化鈦薄膜。結果顯示,隨著N2分壓的增大,濺射態(tài)薄膜的結晶性能快速下降,N2的加入會大大的退化二氧化鈦薄膜的晶化,需要基底加溫濺射來促使濺射薄膜晶化,隨著基底溫度的升高,晶化程度也將提高。此外,N摻雜薄膜的吸收帶邊產生了明顯的紅移,但是基底未加溫的濺射態(tài)薄膜無法結晶,其催化降解能力低于單純Ar濺射的二氧化鈦薄膜�；�500℃加熱濺射,會促使薄膜晶化,并且促使N3_進入二氧化鈦晶格,取代部分O2-,產生新的價帶,降低其禁帶寬度,從而提高了光催化降解能力。此外,結晶過程中晶核的形成取決于轟擊薄膜表面荷能粒子的動能,進而決定了薄膜的結晶狀態(tài)。濺射時引入N2,轟擊出的荷能粒子能量較低,形成無定形態(tài)二氧化鈦。選擇不同濺射氣體不僅可以用來控制濺射薄膜的結晶性能,還可以控制濺射薄膜的擇優(yōu)取向,而不同的晶面取向會極大地影響其光催化性能。二、采用磁控濺射法室溫下制備了銳鈦礦相二氧化鈦,測試的XRD和拉曼譜圖顯示樣品為結晶良好的銳鈦礦相二氧化鈦薄膜。又采用將小Cu條放置于二氧化鈦靶材濺射環(huán)位置所構成的復合靶來濺射摻入Cu,逐漸改變Cu條的長度以及位置來改變摻入量,研究了不同Cu摻入量的二氧化鈦的晶型。室溫下濺射態(tài)二氧化鈦隨著Cu的摻入逐步由銳鈦礦相轉變?yōu)榻鸺t石相,繼續(xù)增加Cu的摻入量,樣品薄膜將變?yōu)闊o定型態(tài)。此外,隨著Cu的摻入量增加,二氧化鈦薄膜在可見光區(qū)的透射率相對有所減少,而且吸收帶邊隨著Cu的摻入有著逐步、顯著的紅移,禁帶寬度顯著降低。究其濺射態(tài)二氧化鈦隨著Cu的摻入逐步相變的原因,是由于引入的Cu釋放出電子而被氧化為Cu1+,Cu1+逐漸取代Ti4+進入晶格中,導致了二氧化鈦由銳鈦礦相逐漸相變?yōu)榻鸺t石相。根據實驗結果,采用基于自洽的密度泛函理論,利用二氧化鈦原胞基礎上拓展的超晶胞結構計算了二氧化鈦以及摻Cu超晶胞結構的能帶結構和電子能態(tài),周期性的模型計算結果也顯示出,隨著Cu的取代摻入,引入的雜質能級逐漸出現在帶隙之間靠近價帶頂的位置,而且隨著Cu摻入量的加大,雜質能級逐漸往導帶方向移動,抬升了二氧化鈦價帶頂的能量,從而導致禁帶寬度逐漸減小。而且超晶胞結構所計算出的形成能也顯示,隨著Cu摻入量的逐步增大,超晶胞結構體系的形成能逐步降低,而且同等Cu摻入量的金紅石體系的形成能要小于銳鈦礦體系,摻Cu的二氧化鈦易于形成金紅石相。能帶結構及電子局域態(tài)密度計算結果與實驗結果相符合。三、在成功制備金紅石相二氧化鈦的基礎上,采用磁控濺射法,在室溫條件下成功制備了金紅石/銳鈦礦二氧化鈦異質結構薄膜。該金紅石/銳鈦礦異質結構中,頂層的金紅石相二氧化鈦的厚度對薄膜的催化活性具有很大的影響。制備的單一銳鈦礦相二氧化鈦的催化活性要顯著高于單一金紅石相二氧化鈦,單一的金紅石相的催化活性很低。但是在銳鈦礦相薄膜上原位外延生長了不同厚度的金紅石相二氧化鈦,測試結果表明隨著頂層金紅石相的加入,使得薄膜的催化活性發(fā)生很大改變。頂層金紅石相的厚度對催化活性的影響不是單調的,當頂層金紅石相較薄時,金紅石相和銳鈦礦相之間的協同作用沒有明顯表現;而當頂層金紅石相較厚時,金紅石相中產生的光生載流子的復合率也會加大,導致催化活性也不佳,協同作用也難以起到主導作用;如果繼續(xù)增大頂層金紅石相的厚度,則整個催化劑薄膜將呈現出單一的金紅石相二氧化鈦的特征,協同作用將消失。因此,存在一個優(yōu)化的頂層金紅石相厚度,使得二氧化鈦薄膜的光響應范圍增大以提高光生載流子濃度的同時,又能使光生載流子能夠更快的遷移分離以減少復合率,提高量子產率進而提升催化活性。在我們實驗條件下的金紅石/銳鈦礦異質結二氧化鈦中,頂層金紅石的厚度約為100nm時,樣品呈現出最佳的光催化活性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華中師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;TQ134.11

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