本發(fā)明涉及一種具有(004)晶面擇優(yōu)的二氧化鈦薄膜材料的制備方法，屬于表面加工、涂層領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

tio2薄膜材料是一類重要的n型半導(dǎo)體功能材料，在光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，如太陽能電池光陽極、光催化劑和光電傳感器等。近年來，tio2薄膜材料制備過程中對(duì)tio2晶體結(jié)構(gòu)和擇優(yōu)取向的控制越來越引起人們的關(guān)注，如非晶結(jié)構(gòu)tio2薄膜材料、無擇優(yōu)銳鈦礦相多晶結(jié)構(gòu)tio2薄膜材料、(004)晶面擇優(yōu)的銳鈦礦相多晶結(jié)構(gòu)tio2薄膜材料等。tio2薄膜材料在光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)一般作為基底材料，應(yīng)具有致密的層狀結(jié)構(gòu)，因此磁控濺射方法成為制備層狀tio2薄膜材料的最佳方法。然后，由于普通磁控濺射方法在制備tio2薄膜材料過程中，只能生長(zhǎng)出非晶結(jié)構(gòu)tio2薄膜材料或無擇優(yōu)銳鈦礦相多晶結(jié)構(gòu)tio2薄膜材料，即使通過對(duì)制備的tio2薄膜材料進(jìn)行后期退火處理，也難以獲得具有(004)晶面擇優(yōu)的銳鈦礦相多晶結(jié)構(gòu)tio2薄膜材料。

目前，制備具有(004)晶面擇優(yōu)的銳鈦礦相多晶結(jié)構(gòu)tio2薄膜材料的方法均存在一些不足之處，如：現(xiàn)有技術(shù)中在制備tio2薄膜材料的過程中均需向外界排放含有cl、f、co2、so2、no2等有害氣體的尾氣，造成環(huán)境污染；制備的tio2薄膜材料致密性低，表面粗糙度大，薄膜與基底結(jié)合力差；在制備tio2薄膜材料的過程中，均需進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，存在耗時(shí)長(zhǎng)、效率低等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明利用磁控濺射的方法制備非晶二氧化鈦薄膜材料，經(jīng)退火以實(shí)現(xiàn)二氧化鈦薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)和擇優(yōu)取向的可控，解決了上述問題。

本發(fā)明提供了一種具有(004)晶面擇優(yōu)的二氧化鈦薄膜材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

①利用磁控濺射的方法得到非晶二氧化鈦薄膜材料，所述磁控濺射的功率密度為0.8-3.3w/cm²；

②將非晶二氧化鈦薄膜材料400-600℃退火得到具有(004)晶面擇優(yōu)的銳鈦礦相多晶結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜材料。

本發(fā)明所述磁控濺射的溫度優(yōu)選為室溫。

本發(fā)明所述磁控濺射的靶材優(yōu)選為高純金屬鈦靶。

本發(fā)明所述磁控濺射的靶材優(yōu)選為高純金屬鈦靶。

本發(fā)明所述非晶二氧化鈦薄膜材料的厚度優(yōu)選為大于100nm。

本發(fā)明所述退火時(shí)間優(yōu)選為30-60min。

本發(fā)明有益效果為：

①本發(fā)明通過控制磁控濺射過程中鈦靶表面磁控濺射的功率密度，得到具有不同晶體結(jié)構(gòu)和擇優(yōu)取向的二氧化鈦薄膜材料，實(shí)現(xiàn)二氧化鈦薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)和擇優(yōu)取向的可調(diào)控。

②本發(fā)明磁控濺射的工作氣體為高純氬和氧，對(duì)環(huán)境無污染。

③本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)率高、便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

本發(fā)明附圖6幅，

圖1為實(shí)施例1-4、對(duì)比例1-2中tio2薄膜材料退火前的x射線衍射圖譜；

圖2為實(shí)施例1-4、對(duì)比例1-2中tio2薄膜材料退火后的x射線衍射圖譜；

圖3為實(shí)施例1中tio2薄膜材料退火后的截面透射電子顯微鏡圖；

圖4為實(shí)施例3中tio2薄膜材料退火后的截面透射電子顯微鏡圖；

圖5為實(shí)施例4中tio2薄膜材料退火后的截面透射電子顯微鏡圖；

圖6為對(duì)比例2中tio2薄膜材料退火后的截面透射電子顯微鏡圖。

具體實(shí)施方式

下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

實(shí)施例1

一種二氧化鈦薄膜材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

①利用直流脈沖反應(yīng)磁控濺射方法在室溫條件下以載玻片為基底材料，以高純金屬ti靶(99.99％)為濺射靶材，以高純ar(99.99％)為濺射氣體，以高純o2(99.99％)為反應(yīng)氣體，進(jìn)行ar/o2共濺射方式制備tio2薄膜，得到的tio2薄膜厚度為200nm，晶體結(jié)構(gòu)為非晶結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

其中：直流脈沖濺射電源工作頻率為200khz，ti靶表面濺射功率密度為0.8w/cm²，ar流量為20sccm，o2流量為4sccm，背底真空度為3.0×10^-3pa，濺射真空度為0.7pa，沉積時(shí)間為605min。

②利用馬弗爐在空氣條件下將步驟①所得產(chǎn)品進(jìn)行退火，退火溫度為600℃，退火時(shí)間為60min，退火后的tio2薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，退火后的tio2薄膜材料呈銳鈦礦相(004)晶面擇優(yōu)取向，如圖2所示，其截面的透射電子顯微鏡圖像，如圖3所示。

實(shí)施例2

一種二氧化鈦薄膜材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

①利用射頻反應(yīng)磁控濺射方法在室溫條件下以石英片為基底材料，以高純金屬ti靶(99.99％)為濺射靶材，以高純ar(99.99％)為濺射氣體，以高純o2(99.99％)為反應(yīng)氣體，進(jìn)行ar/o2共濺射方式制備tio2薄膜，得到的tio2薄膜厚度為300nm，晶體結(jié)構(gòu)為非晶結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

其中：射頻電源工作頻率為13.56mhz，ti靶表面濺射功率密度為1.7w/cm²，ar流量為20sccm，o2流量為4sccm，背底真空度為3.0×10^-3pa，濺射真空度為0.6pa，沉積時(shí)間為210min。

②利用管式爐在空氣條件下將步驟①所得產(chǎn)品進(jìn)行退火，退火溫度為600℃，退火時(shí)間為60min，退火后的tio2薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，退火后的tio2薄膜材料呈銳鈦礦相(004)晶面擇優(yōu)取向，如圖2所示。

實(shí)施例3

一種二氧化鈦薄膜材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

①利用直流脈沖反應(yīng)磁控濺射方法在室溫條件下以載玻片為基底材料，以高純金屬ti靶(99.99％)為濺射靶材，以高純ar(99.99％)為濺射氣體，以高純o2(99.99％)為反應(yīng)氣體，進(jìn)行ar/o2共濺射方式制備tio2薄膜，得到的tio2薄膜厚度為300nm，晶體結(jié)構(gòu)為非晶結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

其中：直流脈沖濺射電源工作頻率為200khz，ti靶表面濺射功率密度為2.5w/cm²，ar流量為20sccm，o2流量為4sccm，背底真空度為3.0×10^-3pa，濺射真空度為0.6pa，沉積時(shí)間為150min。

②利用管式爐在空氣條件下將步驟①所得產(chǎn)品進(jìn)行退火，退火溫度為600℃，退火時(shí)間為60min，退火后的tio2薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，退火后的tio2薄膜材料呈銳鈦礦相(004)晶面擇優(yōu)取向，如圖2所示，其截面的透射電子顯微鏡圖像，如圖4所示。

實(shí)施例4

一種二氧化鈦薄膜材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

①利用高功率脈沖反應(yīng)磁控濺射方法在室溫條件下以載玻片為基底材料，以高純金屬ti靶(99.99％)為濺射靶材，以高純ar(99.99％)為濺射氣體，以高純o2(99.99％)為反應(yīng)氣體，進(jìn)行ar/o2共濺射方式制備tio2薄膜，得到的tio2薄膜厚度為370nm，晶體結(jié)構(gòu)為非晶結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

其中：直流脈沖濺射電源工作頻率為100khz，ti靶表面直流濺射功率密度為0.8w/cm²，ti靶表面脈沖功率密度為2.5w/cm²，即ti靶表面總濺射功率密度為3.3w/cm²，ar流量為20sccm，o2流量為4sccm，背底真空度為3.0×10^-3pa，濺射真空度為0.6pa，沉積時(shí)間為80min。

②利用馬弗爐在空氣條件下將步驟①所得產(chǎn)品進(jìn)行退火，退火溫度為600℃，退火時(shí)間為60min，退火后的tio2薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，退火后的tio2薄膜材料呈銳鈦礦相(004)晶面擇優(yōu)取向，如圖2所示，其截面的透射電子顯微鏡圖像，如圖5所示。

對(duì)比例1

一種二氧化鈦薄膜材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

①利用高功率脈沖反應(yīng)磁控濺射方法在室溫條件下以石英片片為基底材料，以高純金屬ti靶(99.99％)為濺射靶材，以高純ar(99.99％)為濺射氣體，以高純o2(99.99％)為反應(yīng)氣體，進(jìn)行ar/o2共濺射方式制備tio2薄膜，得到的tio2薄膜厚度為300nm，晶體結(jié)構(gòu)為非晶結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

其中：直流脈沖濺射電源工作頻率為200khz，ti靶表面濺射功率密度為4.2w/cm²，ar流量為20sccm，o2流量為4sccm，背底真空度為3.0×10^-3pa，濺射真空度為0.6pa，沉積時(shí)間為90min。

②利用馬弗爐在空氣條件下將步驟①所得產(chǎn)品進(jìn)行退火，退火溫度為600℃，退火時(shí)間為60min，退火后的tio2薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，退火后的tio2薄膜材料為多晶銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，無晶面擇優(yōu)取向，如圖2所示。

對(duì)比例2

一種二氧化鈦薄膜材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

①利用高功率脈沖反應(yīng)磁控濺射方法在室溫條件下以石英片片為基底材料，以高純金屬ti靶(99.99％)為濺射靶材，以高純ar(99.99％)為濺射氣體，以高純o2(99.99％)為反應(yīng)氣體，進(jìn)行ar/o2共濺射方式制備tio2薄膜，得到的tio2薄膜厚度為300nm， 晶體結(jié)構(gòu)為多晶銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，無晶面擇優(yōu)取向，如圖1所示；

其中：直流脈沖濺射電源工作頻率為200khz，ti靶表面濺射功率密度為5.0w/cm²，ar流量為20sccm，o2流量為4sccm，背底真空度為3.0×10^-3pa，濺射真空度為0.6pa，沉積時(shí)間為70min。

②利用馬弗爐在空氣條件下將步驟①所得產(chǎn)品進(jìn)行退火，退火溫度為600℃，退火時(shí)間為60min，退火后的tio2薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，退火后的tio2薄膜材料為多晶銳鈦礦相tio2結(jié)構(gòu)，無晶面擇優(yōu)取向，如圖2所示，其截面的透射電子顯微鏡圖像，如圖6所示。