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TiO_2薄膜的制备及其性能研究

作　者: 张粲
导　师: 柴卫平
学　校: 大连交通大学
专　业: 材料学
关键词: TiO2薄膜 脉冲磁控溅射 光催化活性 光致亲水性
分类号: TN304
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


在众多半导体催化材料中,TiO2具有催化活性高、氧化能力強、及光稳定性高等特性,成为最常用的一种半导体催化材料。随着世界范围内环境问题的日益严重,利用TiO2光催化剂进行环境净化已经引起了广泛的重视。当前,TiO2光催化剂的应用主要集中在水和空气的净化和处理。然而,传统粉体TiO2光催化剂在应用中存在许多缺点,如反应过程中必须搅拌、反应后催化剂难于分离和回收等。TiO2薄膜光催化剂可以克服这些缺点并拓展其工业用途,如用作抗菌陶瓷釉面砖、自洁净玻璃等。目前用作催化剂的TiO2薄膜大多数采用溶胶-凝胶法制备,虽然这种成膜方法比较成熟,可以应用在生产中,但其也具有一定的缺点,主要是所制备薄膜必须经过后期热处理工艺才能具有光催化性能,因此限制了TiO2光催化薄膜的应用范围。为了解决溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜需经过热处理这一缺点,本论文利用直流脉冲磁控溅射方法在室温下制备TiO2薄膜,并用X射线衍射(XRD)测试了TiO2薄膜的晶体结构,用原子力显微镜(AFM)测试了TiO2薄膜的表面形貌,用紫外-可见光谱(UV-Vis)测试了TiO2镀膜玻璃的透光率及TiO2薄膜对甲基橙溶液的降解效率。通过上述表征方法,研究直流脉冲磁控溅射法制备工艺、TiO2薄膜微观结构及表面形貌等对其透光性、光催化性能、亲水性能的影响等,结果发现:1.制备TiO2薄膜时,在其他条件不变的情况下,随着O2/Ar流量比的增加,薄膜的沉积速率单调降低,TiO2薄膜的结晶质量不断提高,锐钛矿(101)面的衍射峰的强度逐渐增强,TiO2薄膜表面颗粒不断增大,薄膜对水的接触角不断降低,TiO2薄膜的对甲基橙的降解率随着O2/Ar比例的增大先增大后减小,在O2/Ar比例为6/14时TiO2薄膜的对甲基橙的降解率取得最大值,为29.32%(退火前),因此在制备具有光催化活性的TiO2薄膜时,O2/Ar比例不宜过大;2.制备TiO2薄膜时,在其他条件不变的情况下,随着真空室内工作压强的增加,TiO2薄膜的沉积速率单调降低;平均透过率随着工作气压的增大。在本实验范围内(0.5～1.4pa),工作气压的增大,能够提高TiO2薄膜的结晶质量,随着工作气压的增大,锐钛矿(101)面的结晶性变好;同时当溅射气压较高时,TiO2薄膜结构疏松,表面粗糙,比表面积增大。多孔结构使薄膜的光电化学反应面积增大,吸附水能力增强,因此对甲基橙的降解率增强,TiO2薄膜对甲基橙的降解率随工作气压的升高而增大,且TiO2薄膜的亲水性也随工作气压的升高而变好。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-19
  1.1 引言  10
  1.2 TiO_2 薄膜的光催化技术与原理  10-12
    1.2.1 光激发带间跃迁过程  11
    1.2.2 光生电子、空穴和表面吸附态离子相互作用过程  11-12
  1.3 提高TiO_2 薄膜光催化活性的途径  12-14
    1.3.1 TiO_2 的晶体结构  12-14
  1.4 纳米TiO_2 薄膜的制备方法  14-16
    1.4.1 化学气相沉积法  14-15
    1.4.2 溶胶-凝胶法  15
    1.4.3 液相沉积法  15
    1.4.4 真空蒸镀法  15-16
    1.4.5 溅射法  16
  1.5 本课题研究的意义及内容  16-19
    1.5.1 本课题的提出  16-17
    1.5.2 国内外光催化研究的进展  17-18
    1.5.3 本课题的研究内容  18-19
第二章 直流脉冲磁控溅射系统及TiO_2薄膜的制备  19-30
  2.1 引言  19
  2.2 直流脉冲磁控溅射系统简介  19-22
    2.2.1 直流脉冲电源工作原理及特点  19-20
    2.2.2 直流脉冲磁控溅射系统及技术特点  20-22
  2.3 TiO_2 薄膜的制备  22-23
    2.3.1 玻璃衬底的清洗  22-23
    2.3.2 TiO_2 薄膜制备工艺流程  23
  2.4 TiO_2 薄膜表征所使用的测试技术  23-29
    2.4.1 TiO_2 薄膜厚度的表征  23-24
    2.4.2 TiO_2 薄膜光学性能表征  24-25
    2.4.3 X 射线光电子能谱(XPS)分析  25
    2.4.4 X 射线衍射(XRD)分析  25-26
    2.4.5 原子力显微镜(AFM 分析)  26-27
    2.4.6 光催化性能的表征  27-28
    2.4.7 亲水性能的表征  28-29
  本章小结  29-30
第三章 O_2/AR 比例对TiO_2薄膜性能的影响  30-44
  3.1 实验  30
  3.2 沉积速率分析  30-31
  3.3 可见光平均透过率  31-32
  3.4 X 射线光电子能谱(XPS)分析  32-35
  3.5 X 射线衍射(XRD)分析  35-37
  3.6 表面形貌分析  37-40
  3.7 光催化性能分析  40-42
  3.8 光致亲水性分析  42-43
  本章小结  43-44
第四章 工作气压对TiO_2薄膜性能的影响  44-54
  4.1 实验  44
  4.2 沉积速率分析  44-45
  4.3 可见光透过率分析  45-46
  4.4 X 射线衍射(XRD)分析  46-49
  4.5 表面形貌分析  49-50
  4.6 光催化性能分析  50-52
  4.7 光致亲水性能分析  52
  本章小结  52-54
结论  54-55
参考文献  55-58
攻读硕士学位期间发表的学术论文  58-59
致谢  59-60

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料
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