一種銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二氧化鈦薄膜的制備，特別涉及一種銅(Cu)修飾氮(N)摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以二氧化鈦(T12)為代表的光催化材料，在光照下被激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對具有很高的氧化還原能力，在光催化降解有機(jī)污染物中由于具有能耗低、反應(yīng)條件溫和、可減少二次污染等優(yōu)點(diǎn)，得到人們的廣泛關(guān)注。但T12在應(yīng)用中存在重要缺陷:由于其帶隙較寬，僅對波長較短的紫外光區(qū)產(chǎn)生響應(yīng)，即，僅能利用約5%的太陽光能。如何提高T12對可見光的利用已成為目前T12光催化領(lǐng)域最重要的研究課題之一。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)T12可利用太陽光能進(jìn)行光催化處理，必須對其進(jìn)行改性，主要采用貴金屬修飾、金屬摻雜、非金屬摻雜等方法。貴金屬主要包括Pt、Ag、Pd等貴金屬元素，其成本較高;非金屬摻雜主要包括C、N、F等元素。過渡金屬元素來源廣泛，廉價(jià)無毒，但目前采用磁控濺射法制備過渡金屬摻雜二氧化鈦薄膜，通常采用的是拼靶工藝，即在Ti靶上放置金屬片，通過控制金屬片的面積來控制金屬摻雜含量。此種方法制備的薄膜難以精準(zhǔn)控制金屬的摻雜量，且薄膜不均勻。以前的研究表明，摻雜的過渡金屬元素量需控制在1.5at.%以內(nèi)，才能對薄膜的可見光催化活性起到有益作用，過高的摻雜量反而會降低其活性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開了一種銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，能較精準(zhǔn)控制金屬摻雜量，并顯著拓寬薄膜的光吸收范圍。
[0005]本發(fā)明公開了一種銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，步驟為:
[0006]第一步，磁控預(yù)濺射:采用磁控濺射法和雙靶共濺射工藝，Ar氣真空環(huán)境下，在潔凈的襯底材料上，采用Ti和Cu靶進(jìn)行預(yù)濺射;分別調(diào)至Cu靶、Ti靶的角度為60°?90° ;
[0007]第二步，磁控濺射:預(yù)濺射后，通入氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，真空下，控制Ti靶濺射功率為150W?250W，Cu靶濺射功率為20?50W，起輝后控制濺射氣壓為0.4?0.8Pa，開始磁控濺射；
[0008]第三步，沉積薄膜:使襯底自轉(zhuǎn)，控制自轉(zhuǎn)速度，調(diào)節(jié)擋板與襯底位置，開始在襯底上沉積薄膜；
[0009 ]第四步，薄膜沉積后退火:在氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚夥罩型嘶稹?br>[0010]所述的襯底材料為玻璃。
[0011 ]預(yù)濺射和磁控濺射時(shí)，Ti靶連接脈沖直流電源，Cu靶連接射頻電源。
[0012]磁控濺射時(shí)，氧氣和氮?dú)獍大w積比10?20:90?80混合。
[0013]預(yù)派射和磁控派射在開始時(shí)，派射室內(nèi)氣壓均為3?5Pa。
[0014]預(yù)濺射時(shí)，Ti靶和Cu靶的功率均分別為150W?250W，起輝后，濺射氣壓為0.4?0.8Pa0
[0015]退火溫度為300?500°C、氣氛體積比O2: N2 = 10?20:90?80條件下，保溫20?60mino
[0016]濺射時(shí)，襯底溫度為150?300°C。
[0017]自轉(zhuǎn)速率為20?40r/min，薄膜沉積時(shí)間控制在50?90min。
[0018]所述的銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法得到的薄膜，摻銅量0.5?
1.5At.%、摻氮量4.0?12.0At.%、具有可見光響應(yīng)，光吸收邊位置440nm?580nm。
[0019]有益效果:
[0020](I)采用磁控濺射法和雙靶共濺射工藝在玻璃襯底上沉積的銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜，通過改變?yōu)R射靶的角度和濺射功率以及氮氧流量比，能較精準(zhǔn)的控制銅元素和氮元素在薄膜內(nèi)的含量。(2)制取工藝簡單易控制，磁控濺射法是目前工業(yè)化生產(chǎn)薄膜的主流工藝方法；(3)氮元素、銅元素來源廣泛，成本低，反應(yīng)產(chǎn)物無毒，對環(huán)境無污染，便于大規(guī)模生產(chǎn)；(4)N、Cu的耦合作用能夠顯著提高T12對可見光的吸收并提高其可見光催化活性;獲得的銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜，可見光響應(yīng)范圍從375nm拓寬至440nm?580nmo
【附圖說明】
[0021]圖1銅氮共摻雜二氧化鈦薄膜的紫外-可見光吸收光譜。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面通過具體實(shí)施例來說明本發(fā)明。
[0023]—種銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜，包括以下幾個(gè)步驟:
[0024]A.清洗襯底材料，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺，安裝在磁控濺射儀進(jìn)樣室內(nèi)；
[0025]B.安裝Ti靶(純度2 99.99% )和Cu靶(純度299.99%)，分別調(diào)整Cu靶與Ti靶的角度60°?90°，Ti靶連接脈沖直流電源，Cu靶連接射頻電源。
[0026]C.將進(jìn)樣室和濺射室抽真空至6X10—4Pa以下，將樣品從進(jìn)樣室送入真空室，通入Ar，控制氣壓在3?5Pa，打開脈沖直流電源和射頻電源，控制Ti靶濺射功率為150W?250W，Cu靶濺射功率為150W?250W，起輝后，控制濺射氣壓為0.4?0.8Pa，對靶材進(jìn)行10?20min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度為150?300°C ;
[0027]D.預(yù)濺射后，關(guān)閉直流脈沖電源和射頻電源，按一定體積比(O2:N2= (10?20): (90?80))通入O2 (純度2 99.99 % )和N2 (純度2 99.99 % )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓為3?5Pa，打開脈沖直流電源和射頻電源，控制Ti靶濺射功率為150W?250W，Cu靶濺射功率為20?50W，起輝后控制濺射氣壓為0.4?0.8Pa；
[0028]E.打開樣品臺自轉(zhuǎn)電機(jī)，調(diào)節(jié)自轉(zhuǎn)速率為20?40r/min，調(diào)節(jié)擋板與樣品臺位置，開始在襯底上沉積薄膜，薄膜沉積時(shí)間控制在50?90min;
[0029][薄膜沉積后退火:在溫度300?500°(:、氣氛(02:吣=(10?20):(90?80))條件下，保溫20?60min;
[0030]即可得到摻銅量0.5?1.5At.%、摻氮量4.0?12.0At.%、具有可見光響應(yīng)(光吸收邊位置440nm?580nm)、性能穩(wěn)定的銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜。
[0031]實(shí)施例1
[0032]I)清洗襯底材料，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺，安裝在磁控濺射儀進(jìn)樣室內(nèi)；
[0033]2)安裝Ti靶(純度2 99.99%)和Cu靶(純度2 99.99%)，調(diào)整Cu靶的角度為60°，調(diào)整Ti靶的角度為90°，Ti靶連接脈沖直流電源，Cu靶連接射頻電源；
[0034]3)將進(jìn)樣室和濺射室抽真空至6X10—4Pa以下，將樣品從進(jìn)樣室送入真空室，通入Ar，控制氣壓在3?5Pa，打開脈沖直流電源和射頻電源，控制Ti靶濺射功率為200W，Cu靶濺射功率為200W，起輝后，控制濺射氣壓為0.5Pa，對靶材進(jìn)行10?20min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度為150 °C;
[0035]4)預(yù)濺射后，關(guān)閉直流脈沖電源和射頻電源，按一定體積比(02:N2= 10:90)通入O2(純度2 99.99 % )和他(純度2 99.99 % )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓為5Pa，打開脈沖直流電源電源和射頻電源，控制Ti靶濺射功率為200W，Cu靶濺射功率為50W，起輝后控制濺射氣壓為0.4Pa;
[0036]5)打開樣品臺自轉(zhuǎn)電機(jī)，調(diào)節(jié)自轉(zhuǎn)速率為30r/ min，調(diào)節(jié)擋板與樣品臺位置，開始在襯底上沉積薄膜，薄膜沉積時(shí)間控制在60min;
[0037]6)薄膜沉積后退火:在溫度300 °C、氣氛(O2: N2 = 10:90)條件下，保溫60min。即可得到摻銅量1.2At.%、摻氮量12.0At.%、具有可見光響應(yīng)(從375nm拓寬至580nm)、性能穩(wěn)定的銅修飾氮摻雜二氧化鈦薄膜。
[0038]實(shí)施例2
[0039]I)清洗襯底材料，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺，安裝在磁控濺射儀進(jìn)樣室內(nèi)；
[0040]2)安裝Ti靶(純度2 99.99%)和Cu靶(純度2 99.99