磁控溅射法制备氮掺杂的TiO2薄膜及其光学性能研究

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1、西北大学硕士学位论文磁控溅射法制备氮掺杂的TiO<,2>薄膜及其光学性能研究姓名：江洪湖申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：姚合宝20100617摘要近年来，人们发现Ti02光催化材料还具有净化空气、杀菌、除臭、超亲水性等功能，并已经广泛应用于抗菌陶瓷、空气净化器、不用擦拭的汽车后视镜等领域。半导体纳米Ti02因其化学性质稳定、无毒和能有效去除大气和水中的污染物而成为解决能源和环境问题的理想材料，并引起了各国研究者广泛的兴趣。但是TiOz是宽禁带(窜3．2ev)半导体化合物，只有波长较短的太阳光能(<387nm)才能被

2、吸收，而这部分紫外线(300--,400nm)只占到达地面上的太阳光能的4％～6％，太阳能利用率很低。而可见光却占了太阳光能总量的45％，因此缩短催化剂的光学禁带宽度使吸收光谱向可见光扩展是提高太阳能利用率的技术关键。其对应的非金属掺杂有望实现能带工程和其他有利功能，引起了人们的广泛关注和研究。本文制备氮掺杂的Ti02纳米薄膜就是其中较为典型的一种，它在不降低紫外光光催化活性的基础上，还可以加强Ti02纳米薄膜在可见光范围的扩展程度和吸收强度。用不同方法制备的Ti02．xNx薄膜性能参数差异较大，目前文献报道的多数是采用溶胶．

3、凝胶、加热、离子注入和激光脉冲沉积等方法制备的。本工作用射频磁控溅射法在普通玻璃衬底上生长了Ti02．xNx薄膜，并研究氮氩流量比、工作气压、衬底温度、溅射功率和退火温度对其结构和光学性能的影响。第一章首先介绍了Ti02材料的基本性质及其应用，然后对TiOE．xN。薄膜材料的国内外研究进展做了详细介绍，并阐述了课题选取的意义。第二章介绍了薄膜的制备以及其测试表征。本章先介绍薄膜的制备方法，主要是磁控溅射方法的介绍。本论文用JGP．560型超高真空多功能磁控溅射系统，采用纯度为99．9％的Ti02陶瓷靶材，在玻璃衬底上淀积了不同

4、条件的Ti02．xNx薄膜。射频电源的频率为13．56MHz，系统的背景真空度为3x10’4Pa，溅射功率范围为50,-、,250W，溅射气体使用氩气，反应气体为氮气。我们采用XRD分析薄膜的晶体结构；用AFM观察薄膜表面形貌；由透射光谱、PL谱等研究薄膜的光学性质。第三章采用与Ti02薄膜对比的方法研究了Ti02．xNx薄膜的结构和光学性能。X．射线衍射谱(XIm)显示了薄膜只有A(101)一个衍射峰，表明Ti02．xNx薄膜具有择优取向生长的趋势。通过AFM观察薄膜的表面形貌可知，氮掺杂后薄膜的表面比较光滑，氮元素抑制了薄

5、膜中多晶结构的形成。两个样品的XPS图谱显示：N元素确实进入到薄膜的晶格内，主要是以取代氮的形式存在，少部分以间隙氮的形式存在。TiOE．,,Nx薄膜在可见光区的平均透过率高达80％以上，在紫外区都有一个陡峭的吸收边，由此计算出薄膜的光学禁带宽度约2．44ev。室温光致发射光谱中观测到了五个发光峰，分别以340nm(A)为中心的近紫外发光带；380nm(B)、430nm(C)和470nm(D)为中心的三个紫外发光带；535nm为中心的蓝色发光带(E)。A峰是来源于激子的直接复合；B峰是能带之间的辐射复合发光；C峰是由于浅层缺陷

6、捕获的激子发光：D峰是表面态和缺陷捕获的激子发光；E峰是由于氮的掺入形成过多的氧空位引起的自发捕获的电子空缺复合发光。第四章讨论了制备条件对Ti02．xNx薄膜性质的影响。分析了氮氩流量比、工作气压、衬底温度、溅射功率和退火温度对Ti02-xNx薄膜的结构和光学性能的影响。采用控制变量法，逐个改变薄膜的生长条件，找出晶体结晶度高、缺陷少、晶粒大小均匀和光学性能优良的制备工艺参数；分析薄膜的发光特性，对各个参数对薄膜的发光特性的影响做了初步的探讨，提出薄膜吸收边红移的理论假设。第五章给出了论文的主要结论，并且对掺氮Ti02薄膜材

7、料的发展前景进行了展望。关键词：宽禁带半导体，氮掺杂，光致发射光谱，激子，透射光谱，Ti02．xNx薄膜IIAbstractInrecentyears，itWaSdiscoveredthatTi02photocatalyticmaterialsalsohaveairpurification，sterilization，deodorization，super-hydrophilicandotherfunctions．Ithasbeenwidelyusedinanti·bacterialceramic，airpurifier,th

8、eCal"rearviewmirrorandotherfields．Nano．Ti02semiconductorfortheirchemicalstability,non·toxicandeffectivelyremovingpollutantsfromtheatmosphe