專(zhuān)利名稱(chēng)：一種碳摻雜氧化鈦薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高可見(jiàn)光活性光催化劑制備的領(lǐng)域，更特別的說(shuō)，是指用大氣開(kāi) 放式MOCVD方法制備碳摻雜氧化鈦薄膜。
背景技術(shù)：
光催化氧化是近二十年來(lái)迅速發(fā)展并且得到廣泛研究和應(yīng)用的污染治理技術(shù)。 Ti02作為最主要的光催化劑因其光催化活性高、無(wú)毒、穩(wěn)定性好、氧化能力強(qiáng)、成 本低等特點(diǎn)成為當(dāng)前最具有應(yīng)用潛力的半導(dǎo)體材料。然而Ti02光催化技術(shù)的實(shí)際應(yīng) 用還存在著量子效率低、電子空穴易復(fù)合、可見(jiàn)光活性低、對(duì)太陽(yáng)能的利用率低等技 術(shù)難題。為了獲得對(duì)氣體或液體污染物具有高催化活性的Ti02光催化劑必須對(duì)Ti02 進(jìn)行改性，盡可能提高其可見(jiàn)光光催化活性，增加光生電子產(chǎn)生效率，減少電子和空 穴的復(fù)合幾率。Ti02非金屬離子摻雜是目前提高可見(jiàn)光活性的有效方法，其中碳摻
雜氧化鈦光催化薄膜材料是近幾年新興起的研究熱點(diǎn)。氧化鈦中摻入碳能顯著增強(qiáng)薄 膜對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力，產(chǎn)生可見(jiàn)光催化活性。目前用以制備碳摻雜氧化鈦薄膜的方 法有鈦金屬加熱法、溶膠凝膠法、沉淀法等，這些制備方法最大的缺點(diǎn)是薄膜與基片 結(jié)合力差，容易剝落。 發(fā)明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的是一種制備碳摻雜氧化鈦薄膜的方法，用四異丙醇鈦(TTIP)作 為前驅(qū)物，以大氣開(kāi)放式MOCVD方法在玻璃基片上沉積出5 20〃w的碳摻雜氧 化鈦薄膜。
本發(fā)明的碳摻雜氧化鈦薄膜的制備方法，有下列步驟 第一步準(zhǔn)備基片
將玻璃片切割成lcwXlcm小塊，然后依次放入到丙酮、乙醇和去離子水中用超 聲波清洗各15min ，清洗后將基片放入到電熱恒溫干燥箱中烘千備用； 干燥條件干燥溫度60 90。C，干燥時(shí)間10 30min ; 第二步預(yù)熱大氣開(kāi)放式MOCVD工作環(huán)境 加熱液氮冷阱至噴嘴之間通道的溫度至100~180°C;第三步TTIP放入氣化室
將TTIP放在氣化室中的瓷方舟中，調(diào)節(jié)氣化溫度100 180°C; 第四步沉積制碳摻雜氧化鈦膜
調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁縧,0~3.0L/min、氮?dú)鈮毫?,4 0.5Mi^ ; 調(diào)節(jié)噴嘴與基片的距離10 30m附； 調(diào)節(jié)電熱爐溫度350~450°C;
接著進(jìn)行15 60min的沉積制碳摻雜氧化鈦膜，制膜結(jié)束后，依次關(guān)掉加熱帶 控制電源、氣化室和電熱爐的控制電源、氮?dú)馄俊?br> 本發(fā)明的碳摻雜氧化鈦薄膜的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)通過(guò)控制載氣流速 和基片與噴嘴之間的距離，使得在玻璃基片上沉積的碳摻雜氧化鈦薄膜解決了光催化 劑固載化的問(wèn)題。(2)通過(guò)設(shè)置不同工藝參數(shù)，可制得不同碳含量的氧化鈦薄膜。(3) 采用大氣開(kāi)放式MOCVD制備碳摻雜氧化鈦薄膜，制備工藝條件簡(jiǎn)化，操作過(guò)程簡(jiǎn) 單，生產(chǎn)成本降低。這顯然有利于光催化薄膜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)光催化劑制備技術(shù)的 推廣具有重要的應(yīng)用價(jià)值。


圖1是采用本發(fā)明工藝制備的不同含碳量的氧化鈦薄膜的XRD圖譜。
圖2是采用本發(fā)明工藝制得的不同含碳量的氧化鈦薄膜的紫外可見(jiàn)吸收譜。 圖3是采用本發(fā)明工藝制得的不同含碳量的氧化鈦薄膜的催化效率圖。 圖4是大氣開(kāi)放式MOCVD設(shè)備原理框圖。
在圖1、圖2、圖3中，A條線表示實(shí)施例1的相關(guān)參數(shù)，B條線表示實(shí)施例2 的相關(guān)參數(shù)，C條線表示實(shí)施例3的相關(guān)參數(shù)，D條線表示實(shí)施例4的相關(guān)參數(shù)。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。 參見(jiàn)圖4所示，大氣開(kāi)放式MOCVD設(shè)備中，氣路通道2的一端連接在氮?dú)馄?1上，氣路通道2的另一端連接在噴嘴裝置7上。在氣路通道2上按氮?dú)廨斎敕较?依次安裝有截止氣閥、流量計(jì)3、液氮冷阱4、氣化室5、噴嘴裝置7，在液氮冷阱 4至氣化室5的氣路通道2的外壁上纏繞有加熱帶6，加熱帶6上連接有調(diào)壓器，此 段的氣路通道2在纏繞加熱帶時(shí)安裝有用于測(cè)定溫度的一個(gè)熱電偶，熱電偶的測(cè)溫 端緊貼在氣路通道2外壁上，其接線端連接在溫度顯示儀表上，通過(guò)儀表鍵盤(pán)進(jìn)行 設(shè)定溫度操作(儀表為單輸入通道數(shù)字式智能儀表，型號(hào)XST/D-F、北京天辰自動(dòng)化儀表廠)；在氣化室5的外壁上纏繞有加熱帶，加熱帶上連接有調(diào)壓器，在氣化室 5內(nèi)安裝有熱電偶，熱電偶接線端伸出氣化室5并連接在溫度顯示儀表上(儀表為單 輸入通道數(shù)字式智能儀表，型號(hào)XST/D-F、北京天辰自動(dòng)化儀表廠)；在氣化室5 至噴嘴裝置7的氣路通道2上設(shè)有封閉氣路的截止氣閥，在此段氣路通道2的外壁 上纏繞有加熱帶，加熱帶上連接有調(diào)壓器，此段的氣路通道2在纏繞加熱帶6時(shí)安 裝有用于測(cè)定溫度的一個(gè)熱電偶，熱電偶的測(cè)溫端緊貼在氣路通道2的外壁，其接 線端連接在溫度顯示儀表上(儀表為單輸入通道數(shù)字式智能儀表，型號(hào)XST/D-F、 北京天辰自動(dòng)化儀表廠)；基片8固緊在基片臺(tái)9上，且基片臺(tái)9上安裝有緊貼基片 8與基片臺(tái)9兩者的一個(gè)熱電偶，其接線端連接在溫度顯示儀表上(儀表為智能數(shù)字 顯示儀表，型號(hào)CH402/IMCH01-E2，日本RKC自動(dòng)化儀表設(shè)備公司)；基片8 的位置應(yīng)當(dāng)與噴嘴裝置7中的噴口 11底面的法向方向相垂直。所述噴嘴裝置7為一 個(gè)立方體形式的容積，可容納約0.6升含有金屬有機(jī)物的氣體。
本發(fā)明的一種采用大氣開(kāi)放式MOCVD (金屬氧化物化學(xué)氣相沉積)制備碳摻雜 氧化鈦薄膜的方法，有如下步驟
第一步準(zhǔn)備基片
用天然金剛石玻璃刀將玻璃片切割成lcmXlcm小塊，然后依次放入到丙酮、乙 醇和去離子水中用超聲波清洗各15min，清洗后將基片放入到電熱恒溫干燥箱中烘 千備用；
干燥條件干燥溫度60 90。C，干燥時(shí)間10 30min; 第二步預(yù)熱大氣開(kāi)放式MOCVD工作環(huán)境
將MOCVD系統(tǒng)按照?qǐng)D4所示連通好后，加熱液氮冷阱至噴嘴之間通道的溫度至 訓(xùn) 180。Cj
第三步TTIP放入氣化室
將TTIP放在氣化室中的瓷方舟中，調(diào)節(jié)氣化溫度100~180°C; 第四步沉積制碳摻雜氧化鈦膜
調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?.0~3.0￡/min、氮?dú)鈮毫?.4 0.5M尸"；
調(diào)節(jié)噴嘴與基片的距離10~30mm ;
調(diào)節(jié)電熱爐溫度350 450°C;
接著進(jìn)行15 60min的沉積制碳摻雜氧化鈦膜；
制膜結(jié)束后，依次關(guān)掉加熱帶控制電源、氣化室和電熱爐的控制電源、氮?dú)馄?。本發(fā)明的制備方法中，通過(guò)調(diào)節(jié)氣化溫度100~180°C，沉積溫度350 45(TC，
的工藝條件，能夠制得不同含碳量的氧化鈦薄膜。 實(shí)施例 1
制碳含量為2.69 wt。/。的氧化鈦薄膜有如下步驟 第一步準(zhǔn)備基片
用天然金剛石玻璃刀將玻璃片切割成lcmXlcm小塊，然后依次放入到丙酮、乙 醇和去離子水中用超聲波清洗各15min，清洗后將基片放入到電熱恒溫干燥箱中烘 干備用；
干燥條件干燥溫度7(TC，干燥時(shí)間20min; 第二步預(yù)熱大氣開(kāi)放式MOCVD工作環(huán)境
將MOCVD系統(tǒng)按照?qǐng)D1所示連通好后，加熱液氮冷阱至噴嘴之間通道的溫度至
ioo°c;
第三步TTIP放入氣化室
將TTIP放在氣化室中的瓷方舟中，調(diào)節(jié)氣化溫度IOCTC;
第四步沉積制碳摻雜氧化鈦膜
調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?.0Z/min、氮?dú)鈮毫?.5M尸"；
調(diào)節(jié)噴嘴與基片的距離15mm ;
調(diào)節(jié)電熱爐溫度35CTC;
接著進(jìn)行20min的沉積制碳摻雜氧化鈦膜；
制膜結(jié)束后，依次關(guān)掉加熱帶控制電源、氣化室和電熱爐的控制電源、氮?dú)馄俊?實(shí)施例 2
制碳含量為4.45 wty。的氧化鈦薄膜有如下步驟 第一步準(zhǔn)備基片
用天然金剛石玻璃刀將玻璃片切割成lc附Xlc附小塊，然后依次放入到丙酮、乙 醇和去離子水中用超聲波清洗各15min，清洗后將基片放入到電熱恒溫干燥箱中烘 干備用；
干燥條件干燥溫度60。C，干燥時(shí)間30min;第二步預(yù)熱大氣開(kāi)放式MOCVD工作環(huán)境
將MOCVD系統(tǒng)按照?qǐng)D4所示連通好后,加熱液氣冷阱至噴嘴之間通道的溫度至 140°C;
第三步TTIP放入氣化室
將TTIP放在氣化室中的瓷方舟中，調(diào)節(jié)氣化溫度140。C;
第四步沉積制碳摻雜氧化鈦膜
調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?.0Z/min、氮?dú)鈮毫?.4Mi^ ;
調(diào)節(jié)噴嘴與基片的距離10mm ;
調(diào)節(jié)電熱爐溫度400°C;
接著進(jìn)行15min的沉積制碳摻雜氧化鈦膜；
制膜結(jié)束后，依次關(guān)掉加熱帶控制電源、氣化室和電熱爐的控制電源、氮?dú)馄俊?實(shí)施例 3
制碳含量為7.79 wt。/。的氧化鈦薄膜有如下步驟 第一步準(zhǔn)備基片
用天然金剛石玻璃刀將玻璃片切割成lc附Xlcm小塊，然后依次放入到丙酮、乙 醇和去離子水中用超聲波清洗各15min，清洗后將基片放入到電熱恒溫干燥箱中烘 干備用；
干燥條件干燥溫度9(TC，干燥時(shí)間10min; 第二步預(yù)熱大氣開(kāi)放式MOCVD工作環(huán)境
將MOCVD系統(tǒng)按照?qǐng)D1所示連通好后，加熱液氮冷阱至噴嘴之間通道的溫度至 160°C;
第三步TTIP放入氣化室
將TTIP放在氣化室中的瓷方舟中，調(diào)節(jié)氣化溫度16CTC;
第四步沉積制碳摻雜氧化鈦膜 調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?.0Z/min、氮?dú)鈮毫?
調(diào)節(jié)噴嘴與基片的距離30 mm ;
調(diào)節(jié)電熱爐溫度40CTC;
接著進(jìn)行40min的沉積制碳摻雜氧化鈦膜；
制膜結(jié)束后，依次關(guān)掉加熱帶控制電源、氣化室和電熱爐的控制電源、氮?dú)馄?。?shí)施例 4
制碳含量為8.70 wto/。的氧化鈦薄膜有如下步驟 第一步準(zhǔn)備基片
用天然金剛石玻璃刀將玻璃片切割成lcmXlcm小塊，然后依次放入到丙酮、乙 醇和去離子水中用超聲波清洗各15min，清洗后將基片放入到電熱恒溫干燥箱中烘 干備用；
干燥條件干燥溫度8CTC，干燥時(shí)間15min; 第二步預(yù)熱大氣開(kāi)放式MOCVD工作環(huán)境
將MOCVD系統(tǒng)按照?qǐng)D1所示連通好后，加熱液氮冷阱至噴嘴之間通道的溫度至 180°C;
第三步TTIP放入氣化室
將TTIP放在氣化室中的瓷方舟中，調(diào)節(jié)氣化溫度18(TC;
第四 步沉積制碳摻雜氧化鈦膜
調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?.0Z/min、氮?dú)鈮毫?.5M尸a ;
調(diào)節(jié)噴嘴與基片的距離20 mm ;
調(diào)節(jié)電熱爐溫度45CTC;
接著進(jìn)行60min的沉積制碳摻雜氧化鈦膜；
制膜結(jié)束后，依次關(guān)掉加熱帶控制電源、氣化室和電熱爐的控制電源、氮?dú)馄俊?參見(jiàn)圖l所示，對(duì)上述四個(gè)實(shí)施例采用X射線衍射測(cè)試，隨著含碳量的改變， 結(jié)晶取向有所不同。
參見(jiàn)圖2所示，釆用紫外可見(jiàn)慢反射對(duì)上述四個(gè)實(shí)施例進(jìn)行測(cè)試，圖中，含碳 量的不同，薄膜的吸收邊紅移量不同。
參見(jiàn)圖3所示，采用降解羅丹明B的方法對(duì)上述四個(gè)實(shí)施例進(jìn)行可見(jiàn)光催化性 能測(cè)試
配制2mg"的羅丹明B溶液100m/，測(cè)其溶液吸光度4)。用鋁箔紙包裹一 25附/燒杯(避免側(cè)面光射入)，在燒杯中加入2mg/丄的羅丹明B溶液20m/，燒杯上 面放置濾波片，濾掉波長(zhǎng)小于420"m的紫外光，濾波片上放置盛有去離子水培養(yǎng)皿， 用于濾去紅外光。將盛樣燒杯置于300『的碘鎢燈下，在樣品燒杯中放入氧化鈦薄 膜后，開(kāi)啟碘鎢燈電源。在碘鉤燈照射下，氧化鈦薄膜對(duì)羅丹明B產(chǎn)生光催化作用， 羅丹明B發(fā)生光催化分解，其濃度會(huì)變化。每隔2A取一次樣，用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè) 定羅丹明B溶液吸光度的變化。 權(quán)利要求
1、一種碳摻雜氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于有下列步驟第一步準(zhǔn)備基片將玻璃片切割成1cm×1cm小塊，然后依次放入到丙酮、乙醇和去離子水中用超聲波清洗各15min，清洗后將基片放入到電熱恒溫干燥箱中烘干備用；干燥條件干燥溫度60～90℃，干燥時(shí)間10～30min；第二步預(yù)熱大氣開(kāi)放式MOCVD工作環(huán)境加熱液氮冷阱至噴嘴之間通道的溫度至100～180℃；第三步TTIP放入氣化室將TTIP放在氣化室中的瓷方舟中，調(diào)節(jié)氣化溫度100～180℃；第四步沉積制碳摻雜氧化鈦膜調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?. 0～3.0L/min、氮?dú)鈮毫?.4～0.5MPa；調(diào)節(jié)噴嘴與基片的距離10～30mm；調(diào)節(jié)電熱爐溫度350～450℃；接著進(jìn)行15～60min的沉積制碳摻雜氧化鈦膜，制膜結(jié)束后，依次關(guān)掉加熱帶控制電源、氣化室和電熱爐的控制電源、氮?dú)馄俊?br> 2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳摻雜氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于通過(guò)控制載 氣流速和基片與噴嘴之間的距離，使得在玻璃基片上沉積的碳摻雜氧化鈦薄膜解 決了光催化劑固載化的問(wèn)題。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳摻雜氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于通過(guò)設(shè)置不 同工藝參數(shù)，可制得不同碳含量的氧化鈦薄膜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳摻雜氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于用四異丙醇 鈦?zhàn)鳛榍膀?qū)物，以大氣開(kāi)放式MOCVD方法在玻璃基片上沉積出5 20//附的碳 摻雜氧化鈦薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳摻雜氧化鈦薄膜的制備方法，用四異丙醇鈦(TTIP)作為前驅(qū)物，以大氣開(kāi)放式MOCVD方法在玻璃基片上沉積出5～20μm的碳摻雜氧化鈦薄膜。本發(fā)明的工藝通過(guò)控制載氣流速和基片與噴嘴之間的距離，使得在玻璃基片上沉積的碳摻雜氧化鈦薄膜解決了光催化劑固載化的問(wèn)題。在制備過(guò)程中通過(guò)設(shè)置不同工藝參數(shù)，可制得不同碳含量的氧化鈦薄膜。
文檔編號(hào)C23C16/52GK101418437SQ20081023893
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者躍 張, 科 楊, 谷景華 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)