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常压化学气相沉积法二氧化钛薄膜的制备与掺杂性能研究

刘鹏  
【摘要】: 论文介绍了TiO_2薄膜光催化和亲水性的研究背景、自清洁特性和原理,比较了各种TiO_2薄膜的制备技术和方法,并对其光催化和亲水性的影响因素进行了总结。提出结合浮法玻璃在线,以常压化学气相沉积法(APCVD)制备N掺杂TiO_2薄膜的实验目标。 在实验室条件下以TICl_4和O_2为先驱体,采用常压化学气相沉积法(APCVD)制备得到具有一定光催化性和亲水性的TiO_2薄膜,并且以N_2O作为掺杂剂,对薄膜进行了N的掺杂,在一定程度上提高了薄膜可见光照射下的光催化性和亲水性。 文章系统研究了基板温度、载气流量、O_2流量和N掺杂量等工艺参数对TiO_2薄膜微结构、组成和性能的影响。APCVD法在较低的基板温度下制备出的TiO_2薄膜基本上是非晶态的,光催化效率很低。随着基板温度的升高,反应速度增加,结晶类型由锐钛矿相逐渐向金红石相转变,粗糙度增大,亲水性逐渐升高,光催化效率在锐钛矿和金红石混合晶型时最佳。随着载气流量的增加,薄膜的厚度增加,结晶性能提高,光学带隙变窄,光催化效率增加,亲水性没有明显变化。氧气流量对晶体类型和反应速率没有直接的影响,随着氧气流量的增加,薄膜的光催化性能下降,亲水性上升。450℃反应温度时,薄膜表面会有方块状物质生成,经推断为Na_2O·xTiO_2,实验证明它的存在对薄膜的光催化性能有害,但对亲水性没有影响。 掺杂剂N_2O的流量对薄膜的结构有很大影响,随着流量的增大,锐钛矿相TiO_2逐渐向金红石相转变,金红石晶体的颗粒尺寸也不断减小。当N_2O流量大于80sccm时,表面出现雪花状分形生长的物质,其中含有Na元素,随着流量增大,雪花的数量增多,面积变小。TiO_2薄膜的吸收限随着N_2O流量的增加,先红移后蓝移。N_2O流量过大和过小都会导致薄膜在紫外光照射下光催化性能下降,N的掺杂可以提高薄膜可见光照射下的光催化性能。薄膜亲水性随着N的掺杂量增加而升高。


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