一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新能源節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域或化工環(huán)保領(lǐng)域，特別涉及一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體光催化材料在解決能源和環(huán)境問題方面有廣闊的應(yīng)用前景。半導(dǎo)體納米二氧化鈦因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒和能有效去除大氣和水中的污染物而成為解決能源和環(huán)境問題的理想材料。然而，二氧化鈦的禁帶寬度較大(Eg = 3.2eV)，只有在波長(zhǎng)小于387nm的紫外光下才能發(fā)生光催化反應(yīng)，這意味著二氧化鈦只能利用太陽光中的少量部分(約5%)，而在太陽光中占大多數(shù)的可見光(約45%)卻無法利用。摻雜改性是使二氧化鈦具有可見光催化活性的重要手段之一，金屬離子摻雜雖然可實(shí)現(xiàn)可見光催化活性，但由于金屬離子成為復(fù)合中心，使紫外光波段的催化活性降低。2001年Asahi等發(fā)現(xiàn)氮替代少量的晶格氧可以使二氧化鈦的帶隙變窄，在不降低紫外光下活性的同時(shí)使二氧化鈦具有可見光活性。目前對(duì)于二氧化鈦的摻雜改性成為一大研究熱點(diǎn)，氮摻雜的二氧化鈦薄膜的制備方法主要有濺射法、脈沖激光沉積法、溶膠-凝膠法等。然而目前大多的制備方法工藝復(fù)雜，且成本尚O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種成本低且工藝簡(jiǎn)單的采用電子束蒸發(fā)法制備摻氮二氧化鈦的薄膜的制備方法。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，該摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，利用二氧化鈦為靶材采用電子束蒸發(fā)法制備摻氮二氧化鈦薄膜，包括以下步驟，
(1)基片的準(zhǔn)備:將基片切割成方塊；
(2)基片的清洗:先用雙氧水和濃硫酸的混合溶液超聲清洗基片10?20min，再用去離子水清洗;然后再把基片先后放入丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水中超聲10?20min;清洗結(jié)束后將基片置于烘箱干燥，待用；
(3)二氧化鈦薄膜的制備:
1)將干燥后的基片固定在基片臺(tái)上，然后將基片臺(tái)旋緊在真空腔室的轉(zhuǎn)盤上；
2)真空的獲得:首先啟動(dòng)機(jī)械栗，打開第二旁抽閥，對(duì)真空腔室抽真空；當(dāng)真空度達(dá)到4?SPa時(shí)，關(guān)閉第二旁抽閥，打開第一旁抽閥，并啟動(dòng)分子栗，同時(shí)打開閘板閥，利用分子栗對(duì)真空腔室進(jìn)一步抽真空，使真空腔室的真空度達(dá)到I?5 X 10—3Pa;
3)電子束蒸發(fā):將基片旋至靶材上方，依次打開電子束蒸發(fā)槍柜的總電源，掃描鍵，槍燈絲電源開關(guān)，再將預(yù)置電流調(diào)至0.3?0.6A，使燈絲預(yù)熱5?1min;預(yù)熱后，打開線控器上的高壓，借助微弱的電子束光觀察電子束的聚焦中心點(diǎn)是否在坩禍內(nèi)，然后增加束流，直至靶材熔化時(shí)停止增加束流;打開電子束擋板、膜厚儀擋板開始蒸鍍；
4)當(dāng)達(dá)到預(yù)定蒸鍍時(shí)間后，關(guān)閉擋板，將束流歸零，關(guān)高壓，并將預(yù)置電流歸零，再依次關(guān)閉槍燈絲，關(guān)掃描，關(guān)電源，電子束蒸發(fā)結(jié)束;取出所制得的二氧化鈦薄膜；
(4)摻氮二氧化鈦薄膜的制備:設(shè)置氮?dú)馔嘶馉t的溫度在400?700°C和氮?dú)獾牧髁?，等溫度到達(dá)預(yù)定溫度后，將所述步驟(3)中所制得的二氧化鈦薄膜放入氮?dú)馔嘶馉t中，退火時(shí)間為30?60min ；得到摻氮的二氧化鈦薄膜。
[0005]采用上述技術(shù)方案，為了去除基底表面的有機(jī)物，先用雙氧水和濃硫酸的混合溶液的浸泡超聲15min后用去離子水清洗;把基片先后放入丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水中超聲15min，主要是為了提高基片表面活性，從而增加薄膜與基體材料的結(jié)合力;通過電子束蒸發(fā)法先制得二氧化鈦薄膜，再通過在通有氮?dú)獾耐嘶馉t中退火，從而得到摻氮的二氧化鈦薄膜，這樣的制備方法，工藝簡(jiǎn)單可控，成本低，有利于工業(yè)上大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0006]進(jìn)一步改進(jìn)在于，在所述步驟(3)中的步驟3)的電子蒸發(fā)之前先對(duì)基底進(jìn)行離子束清洗。為了進(jìn)一步去除基底表面雜質(zhì)，提高基底與薄膜的附著力，在沉積前要對(duì)基片進(jìn)行離子束清洗。
[0007]進(jìn)一步改進(jìn)在于，離子束清洗的步驟為:當(dāng)真空度達(dá)到I?5X 10—3Pa后，打開Ar氣閥，通入Ar氣，調(diào)節(jié)氣體流量在4?6sccm左右，壓強(qiáng)大約在I?3 X 10—2Pa ；然后調(diào)中和燈絲電流至18?25A左右，再調(diào)加速電壓至150?200V、調(diào)陽極電壓至50?70V、調(diào)屏極電壓至350?420V，最后調(diào)陰極電壓至5?1V以上，束流開始顯示，再調(diào)節(jié)至束流40?60mA左右，真空腔室內(nèi)將產(chǎn)生等離子體，開始對(duì)基片進(jìn)行離子束轟擊以清洗，清洗4?Smin后，按反向順序依次關(guān)閉各表，再關(guān)閉離子流量計(jì)，關(guān)Ar氣閥，結(jié)束清洗。
[0008]進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述基片的大小為20 X 20mm。
[0009 ]進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述雙氧水和濃硫酸的混合溶液中雙氧水和濃硫酸的比例為3?5:1。
[0010]進(jìn)一步改進(jìn)在于，電子束的聚焦中心點(diǎn)的位置通過調(diào)節(jié)Χ、Υ電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過X、Y電流可以調(diào)節(jié)電子束聚焦的位置，從而可以更有利于二氧化鈦的靶材的蒸發(fā)，使薄膜蒸鍍得更加均勻。
[00?1 ]進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述氮?dú)馔嘶馉t的氮?dú)獾牧髁繛??6sccm。
[0012]進(jìn)一步改進(jìn)在于，所制備的二氧化鈦薄膜的厚度為100?300nm。
[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述基片為玻璃或石英玻璃或陶瓷。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:電子束蒸發(fā)法先制得二氧化鈦薄膜，再通過在通有氮?dú)獾耐嘶馉t中退火，從而得到摻氮的二氧化鈦薄膜，這樣的制備方法，工藝簡(jiǎn)單可控，成本低，有利于工業(yè)上大規(guī)模推廣應(yīng)用。同時(shí)該方法所制備的摻氮二氧化鈦薄膜有效地提高了其在可見光照射下的光催化效果，且可應(yīng)用于染料敏化太陽能電池。
【附圖說明】
[0015]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明:
圖1是本發(fā)明所制得的摻氮二氧化鈦薄膜的X射線光電子能譜的測(cè)試圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例一:該摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，利用二氧化鈦為靶材采用電子束蒸發(fā)法制備摻氮二氧化鈦薄膜，包括以下步驟，
(1)基片的準(zhǔn)備:石英玻璃切割成大小為20X 20mm的方塊；
(2)基片的清洗:為了去除基底表面的有機(jī)物，先用雙氧水和濃硫酸的混合溶液(體積比為3:1)的浸泡超聲15min后用去離子水清洗;把基片先后放入丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水中超聲15min，以提高基片表面活性，從而增加薄膜與基體材料的結(jié)合力;清洗結(jié)束后將基片置于烘箱干燥，待用；
(3)二氧化鈦薄膜的制備:
I)將干燥后基片固定在基片臺(tái)上，然后將基片臺(tái)旋緊在真空腔室的轉(zhuǎn)盤上；
2 )真空的獲得:啟動(dòng)機(jī)械栗，打開旁抽閥Π，對(duì)真空腔室抽真空；當(dāng)真空度達(dá)到4Pa時(shí)，關(guān)閉旁抽閥Π，打開旁抽閥I，并啟動(dòng)分子栗，打開閘板閥，采用分子栗對(duì)真空腔室進(jìn)一步抽真空；當(dāng)分子栗加速達(dá)到400Hz后穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)真空度可達(dá)到5 X 10—3Pa后，打開Ar氣閥，通入Ar氣，對(duì)基底進(jìn)行離子束清洗；
3)離子束清洗基底:為了進(jìn)一步去除基底表面雜質(zhì)，提高基底與薄膜的附著力，在沉積前要對(duì)基片進(jìn)行離子束清洗;離子束清洗的實(shí)驗(yàn)過程:將流量計(jì)調(diào)至閥控，并調(diào)節(jié)氣體流量在6sccm左右，壓強(qiáng)大約在2.3 X 10—2Pa;然后調(diào)中和燈絲電流至20A左右，再調(diào)加速電壓至200V、調(diào)陽極電壓至60V、調(diào)屏極電壓至400V，最后調(diào)陰極電壓至1V以上，束流開始顯示，再綜合調(diào)節(jié)至束流60mA左右，此時(shí)，真空腔室內(nèi)將產(chǎn)生等離子體，開始對(duì)基片進(jìn)行離子束轟擊以清洗，清洗5min后，按反向順序依次關(guān)閉各表，再關(guān)閉離子流量計(jì)，關(guān)氣瓶，結(jié)束清洗；
4)電子束蒸發(fā):離子束清洗結(jié)束后，將基片旋至靶材上方，依次打開電子束蒸發(fā)槍柜的總電源，掃描鍵，槍燈絲電源開關(guān)，再將預(yù)置電流調(diào)至0.6A，使燈絲預(yù)熱5min;預(yù)熱后，打開線控器上的高壓，借助微弱的電子束光觀察電子束的聚焦中心點(diǎn)是否在坩禍內(nèi)，如果不在，則調(diào)解X、Y電流;然后緩慢增加束流，當(dāng)靶材熔化時(shí)停止增加束流;打開電子束擋板、膜厚儀擋板開始蒸鍍；
5)當(dāng)達(dá)到預(yù)定蒸鍍時(shí)間15minS卩二氧化鈦的薄膜為200nm后，關(guān)閉擋板，將束流歸零，關(guān)高壓，并將預(yù)置電流歸零，再依次關(guān)閉槍燈絲，關(guān)掃描，關(guān)電源，電子束蒸發(fā)結(jié)束;取出所制得的二氧化鈦薄膜；
(4)摻氮二氧化鈦薄膜的制備:設(shè)置氮?dú)馔嘶馉t的溫度在500°C和氮?dú)獾牧髁?sCCm，等溫度到達(dá)預(yù)定溫度后，將所述步驟(3)中所制得的二氧化鈦薄膜放入氮?dú)馔嘶馉t中，退火時(shí)間為50min;得到摻氮的二氧化鈦薄膜。經(jīng)XPS檢測(cè)，該薄膜內(nèi)確摻雜有氮。
[0017]實(shí)施例二:該摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，利用二氧化鈦為靶材采用電子束蒸發(fā)法制備摻氮二氧化鈦薄膜，包括以下步驟，
(1)基片的準(zhǔn)備:普通玻璃切割成大小為20X 20mm的方塊；
(2)基片的清洗:為了去除基底表面的有機(jī)物，先用雙氧水和濃硫酸的混合溶液(體積比為4:1)的浸泡超聲20min后用去離子水清洗;把基片先后放入丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水中超聲15min，以提高基片表面活性，從而增加薄膜與基體材料的結(jié)合力;清洗結(jié)束后將基片置于烘箱干燥，待用；
(3)二氧化鈦薄膜的制備:
I)將干