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二氧化钛(TiO2)具有良好的光催化性和亲水性能,并由于其化学稳定性好、反应活性高,成本低而受青睐。光催化TiO2材料可用于降解有机物、杀菌消毒、污水处理、空气净化、防雾玻璃、自清洁玻璃等方面,已成为环保纳米材料研究开发的一个热点。
本文采用射频磁控溅射方法制备了纳米TiO2薄膜和TiO2/SiO2复合薄膜。采用XRD、AFM、UV-Vis、液滴形状测试仪等手段系统研究了制备条件如溅射气氛、溅射时间等对纳米TiO2薄膜和TiO2/SiO2复合薄膜晶体结构、表面形貌、光学性能、亲水性能等方面的影响,以及SiO2掺杂量对这些性能的影响。主要研究内容和结果如下:
1.射频磁控溅射制备纳米TiO2薄膜的性能研究
室温下制备纳米Tio2薄膜呈无定型,500℃条件下热处理1h后出现锐钛矿相,升高热处理温度未出现金红石相,溅射气氛中适当的氧气有利于薄膜晶胞沿着c方向生长。热处理前TiO2颗粒较大,热处理后颗粒变小,薄膜更加致密,随着氧气含量的增加,薄膜颗粒变小,边界模糊,表面粗糙度变小。TiO2薄膜在可见光范围有很好的透光度,在紫外光区域有明显的吸收,热处理之后吸收限未有明显变化,随着氧气含量增加,薄膜对紫外波段光波吸收强度变弱,且薄膜的光波吸收限λg向短波方向移动,即吸收波长呈现出明显的“蓝移”。制备出的TiO2薄膜在自然条件下不具有超亲水性。随着溅射气氛的改变,接触角的变化不大,热处理之后接触角较热处理前有所减小。
2.射频磁控溅射制备TiO2/SiO2复合薄膜的性能研究
溅射功率200W溅射5h的条件下制得的TiO2/SiO2复合薄膜表面形貌较好,颗粒形状比较规则,边界清晰,粒径尺寸均一,在称底上分布很均匀致密。热处理和适当的SiO2含量能改善薄膜表面形貌。同时,证实了适量引入SiO2后,减小了TiO2薄膜的晶粒尺寸,提高了TiO2薄膜的成膜质量,使薄膜的比表面积增加。SiO2的加入抑制了TiO2晶相的形成。
TiO2/SiO2复合薄膜对紫外波段光波吸收强度与镀膜时间成正比,与氧气含量成反比。随着氧气含量的降低,薄膜的光波吸收限λg向长波方向移动,即吸收波长呈现出明显的“红移”。随着Si、Ti摩尔比的增加,薄膜的光波吸收限λg向短波方向移动,即吸收波长呈现出明显的“蓝移”。
溅射功率为200W溅射5h的条件下制得的TiO2/SiO2复合薄膜具有自然超亲水性,随着溅射气氛中氧气含量的减少,热处理前薄膜的接触角减小,随着靶材中SiO2含量的增加,薄膜的接触角越来越小,,硅钛比为1/2、1/1时,热处理之后的薄膜液滴在其表面完全浸润。薄膜表面粗糙度、热处理以及在薄膜的界面上形成的Si-O-Ti键等因素影响薄膜的亲水性能。