磁控濺射制作金紅石——TiO2

發(fā)布時(shí)間:2008/6/3 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):497

郭興龍1，于先進(jìn)2，薛成山1，董志華1，高海永1

（1.山東師范大學(xué)半導(dǎo)體研究所，山東濟(jì)南 250014;2.山東理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，山東淄博）

摘要：用磁控濺射方法制備了粒徑大小為20nm的金紅石——tio2,用x射線（xrd）和掃描電鏡（sem）觀察表面形貌，局部表觀致密，顆粒大小均勻。

關(guān)鍵詞：磁控濺射；納米粒子；tio2

中圖分類號(hào)：tn305.92;tf823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1671-4776（2003）12-0020-02

1引言

納米tio2因其具有許多特殊性能，諸如屏蔽紫外線、遠(yuǎn)紅外吸收穩(wěn)定性好、白度高、無(wú)毒無(wú)味等備受商家青睞。1972年，a．fujishima和k．honda發(fā)現(xiàn)n型半導(dǎo)體tio2電極對(duì)水的光電催化分解作用[1]，繼而1977年，s．n．frank和a．j．bard首次報(bào)道了tio2粉體光催化降解含cn-的溶液[2]。由于光照使tio2的導(dǎo)帶和價(jià)帶分別產(chǎn)生高能電子和帶正電荷的空穴，因而使溶液中的有機(jī)物發(fā)生了一系列的化學(xué)反應(yīng)而降解。這一發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了污水治理的技術(shù)革命，引起了國(guó)內(nèi)外對(duì)此領(lǐng)域廣泛深入的研究。

由于納米tio2的粉體能使光生載流子從體內(nèi)擴(kuò)散至表面所需的時(shí)間變短，減少了光生載流子的復(fù)合率。且比表面積大，增強(qiáng)了tio2的吸附催化有機(jī)污染物的能力，可提高光催化降解有機(jī)污染物的效率，而成為近年來(lái)光催化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

納米tio2制備方法主要有溶膠-凝膠法[3]、微乳液法[4]和氣相反應(yīng)法[5]等。前兩種方法原料成本高，后處理復(fù)雜，直接得到的大都是非晶態(tài)tio2粒子，需經(jīng)高溫煅燒才能得到金紅石型粒子；氣相反應(yīng)法可以直接合成金紅石型tio2粒子，后處理簡(jiǎn)單，生產(chǎn)速度快，連續(xù)化程度高，已用于制備粒徑在250 nm左右的涂料鈦白。ahktar等人［6,7］采用ticl4氣相氧化合成了粒度為50～250 nm tio2粒子。晶型以銳鈦相為主，加入促進(jìn)劑可提高金紅石相含量，但卻導(dǎo)致粒子變大，且未考慮物料預(yù)熱、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等對(duì)粒子形態(tài)的影響。

pt-tio2又可以作為檢測(cè)co氣體傳感器中的電催化劑，可以更好地對(duì)co氣體進(jìn)行氧化，從而使co氣體傳感器的穩(wěn)定性和co的電催化特性進(jìn)一步提高[8]。

因此從以上分析可以看出tio2用途廣泛。本文通過(guò)簡(jiǎn)潔的方法制得tio2膜粉粒徑可達(dá)20 nm左右，并且局部膜粉粒均勻細(xì)致。

2 實(shí)驗(yàn)方法

把厚1ｍｍ的ti金屬片(ti的熔點(diǎn)為1455 ℃，可以滿足1000 ℃的退火條件）切割成1.5 cm×2.5 cm的模片；用5∶1的鹽酸溶液浸泡清洗20 ｍｉｎ，后用去離子水清洗三次，用紫外燈烘干，稱重；用sy型500 w射頻功率濺射臺(tái)，在190 ma電流、980 v電壓、濺射臺(tái)真空室背景工作壓力為2 pa的條件下，先濺射2 min pt，再濺射40 ｍｉｎ的zno后又稱重；再利用n2在1000℃進(jìn)行退火30 ｍｉｎ，然后在日本理學(xué)電機(jī)rigakud／maxrb型射線衍射儀上完成結(jié)構(gòu)測(cè)試。采用cu靶，ka線（40 kv，100 ma）測(cè)試，電子掃描型貌分析在日立h8000型透射電鏡中完成。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1成分分析

圖1是樣品的x射線衍射圖，從圖中來(lái)看，主要成分是tio2，其余的則沒(méi)有太大的成分。雖然用的是zno，但是從xrd圖譜中根本看不到它的存在，說(shuō)明它已經(jīng)分解。本實(shí)驗(yàn)利用ti做基體，然后用磁控濺射大約2ｍｉｎ的pt，因?yàn)樾枰寣⒁獮R射的zno附著牢固，并且我們知道，晶種及晶型促進(jìn)劑的加入是有成核和誘導(dǎo)作用的。然后再濺射40 min的zno，因?yàn)閦no在高溫下容易分解，而且在1000 ℃高溫退火后幾乎全部分解，從而o2－和ti結(jié)合，ti被氧化形成tio2。因此這種方法可以生產(chǎn)出金紅石，并且成分比較純。

圖1表明，濺射樣品在1000 ℃退火30 min后，經(jīng)過(guò)xrd分析測(cè)定，圖譜的衍射峰說(shuō)明金紅石已經(jīng)形成。

3.2形貌分析

電子掃描形貌分析在日立h-8000型透射電鏡中完成，如圖2所示。由圖可以看出比較致密的形貌和原始微粒。用x射線衍射展寬法（謝樂(lè)公式）

d=0.89λ／bcosθ

求得tio2的顆粒大小大約為20nm。

圖2(a)為放大2萬(wàn)倍的形貌掃描照片，可以看出tio2顆粒已經(jīng)形成，但是有許多晶粒凝結(jié)在一起，有的地方可以觀察到晶粒比較細(xì)小且分布比較均勻，如圖2(b)。

4結(jié)論

用磁控濺射方法制造的tio2顆粒細(xì)致、均勻，并且方法簡(jiǎn)單，容易制造，成本低，易于控制顆粒的大小，是值得推廣借鑒的生產(chǎn)tio2的方