磁控溅射制作金红石——TiO2

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:492

郭兴龙1，于先进2，薛成山1，董志华1，高海永1

（1.山东师范大学半导体研究所，山东济南 250014;2.山东理工大学化学工程学院，山东淄博）

摘要：用磁控溅射方法制备了粒径大小为20nm的金红石——tio2,用x射线（xrd）和扫描电镜（sem）观察表面形貌，局部表观致密，颗粒大小均匀。

关键词：磁控溅射；纳米粒子；tio2

中图分类号：tn305.92;tf823 文献标识码：a文章编号：1671-4776（2003）12-0020-02

1引言

纳米tio2因其具有许多特殊性能，诸如屏蔽紫外线、远红外吸收稳定性好、白度高、无毒无味等备受商家青睐。1972年，a．fujishima和k．honda发现n型半导体tio2电极对水的光电催化分解作用[1]，继而1977年，s．n．frank和a．j．bard首次报道了tio2粉体光催化降解含cn-的溶液[2]。由于光照使tio2的导带和价带分别产生高能电子和带正电荷的空穴，因而使溶液中的有机物发生了一系列的化学反应而降解。这一发现带来了污水治理的技术革命，引起了国内外对此领域广泛深入的研究。

由于纳米tio2的粉体能使光生载流子从体内扩散至表面所需的时间变短，减少了光生载流子的复合率。且比表面积大，增强了tio2的吸附催化有机污染物的能力，可提高光催化降解有机污染物的效率，而成为近年来光催化领域研究的热点之一。

纳米tio2制备方法主要有溶胶-凝胶法[3]、微乳液法[4]和气相反应法[5]等。前两种方法原料成本高，后处理复杂，直接得到的大都是非晶态tio2粒子，需经高温煅烧才能得到金红石型粒子；气相反应法可以直接合成金红石型tio2粒子，后处理简单，生产速度快，连续化程度高，已用于制备粒径在250 nm左右的涂料钛白。ahktar等人［6,7］采用ticl4气相氧化合成了粒度为50～250 nm tio2粒子。晶型以锐钛相为主，加入促进剂可提高金红石相含量，但却导致粒子变大，且未考虑物料预热、反应器结构等对粒子形态的影响。

pt-tio2又可以作为检测co气体传感器中的电催化剂，可以更好地对co气体进行氧化，从而使co气体传感器的稳定性和co的电催化特性进一步提高[8]。

因此从以上分析可以看出tio2用途广泛。本文通过简洁的方法制得tio2膜粉粒径可达20 nm左右，并且局部膜粉粒均匀细致。

2 实验方法

把厚1ｍｍ的ti金属片(ti的熔点为1455 ℃，可以满足1000 ℃的退火条件）切割成1.5 cm×2.5 cm的模片；用5∶1的盐酸溶液浸泡清洗20 ｍｉｎ，后用去离子水清洗三次，用紫外灯烘干，称重；用sy型500 w射频功率溅射台，在190 ma电流、980 v电压、溅射台真空室背景工作压力为2 pa的条件下，先溅射2 min pt，再溅射40 ｍｉｎ的zno后又称重；再利用n2在1000℃进行退火30 ｍｉｎ，然后在日本理学电机rigakud／maxrb型射线衍射仪上完成结构测试。采用cu靶，ka线（40 kv，100 ma）测试，电子扫描型貌分析在日立h8000型透射电镜中完成。

3实验结果与讨论

3.1成分分析

图1是样品的x射线衍射图，从图中来看，主要成分是tio2，其余的则没有太大的成分。虽然用的是zno，但是从xrd图谱中根本看不到它的存在，说明它已经分解。本实验利用ti做基体，然后用磁控溅射大约2ｍｉｎ的pt，因为需要让将要溅射的zno附着牢固，并且我们知道，晶种及晶型促进剂的加入是有成核和诱导作用的。然后再溅射40 min的zno，因为zno在高温下容易分解，而且在1000 ℃高温退火后几乎全部分解，从而o2－和ti结合，ti被氧化形成tio2。因此这种方法可以生产出金红石，并且成分比较纯。

图1表明，溅射样品在1000 ℃退火30 min后，经过xrd分析测定，图谱的衍射峰说明金红石已经形成。

3.2形貌分析

电子扫描形貌分析在日立h-8000型透射电镜中完成，如图2所示。由图可以看出比较致密的形貌和原始微粒。用x射线衍射展宽法（谢乐公式）

d=0.89λ／bcosθ

求得tio2的颗粒大小大约为20nm。

图2(a)为放大2万倍的形貌扫描照片，可以看出tio2颗粒已经形成，但是有许多晶粒凝结在一起，有的地方可以观察到晶粒比较细小且分布比较均匀，如图2(b)。

4结论

用磁控溅射方法制造的tio2颗粒细致、均匀，并且方法简单，容易制造，成本低，易于控制颗粒的大小，是值得推广借鉴的生产tio2的方