特点及光催化性能薄膜由溅射沉积和Post-N⁺离子注入

文摘

TiO₂薄膜的金红石、锐钛矿、混合类型与锐钛矿和金红石捏造了一个磁控溅射方法。制作的电影被N辐照⁺使用弗里曼离子源离子与几个剂量。原子力显微镜(AFM)、x射线衍射(XRD)、x射线光电子能谱(XPS)和紫外可见分光光度计是用来调查形态、结构、化学状态,分别和光学特性。光催化活性退化的亚甲蓝溶液用紫外和可见光。TiO₂辐照×N薄膜与每一个结构⁺离子显示不同的N浓度相同的N⁺离子剂量的化学状态和XPS结果表明TiO的O原子₂晶格取代了一个N原子。因此TiO的光催化活性₂提高薄膜在可见光。TiO的最大光催化活性₂薄膜与每个结构表明N浓度2.1%的金红石型,1.0%为锐钛矿型,和3.8%的混合类型的情况下离子/厘米²在N⁺离子剂量。

1。介绍

二氧化钛(TiO₂)已经被称为光催化剂已用于各种实际应用,如降解环境污染物和自洁玻璃。此外,TiO的表面₂展品高亲水性紫外(UV)光照射下(1,2]。TiO₂在紫外光照射下显示了相对较高的反应性和化学稳定性的能量超过锐钛矿晶体的带隙3.2 eV阶段和3.0 eV金红石晶体阶段,然而,紫外线能量只占一小部分(~ 5%)的太阳的能量比可见光区域(45%)。目前发现的重要材料的低带隙能给高可见光区域的活动。许多方法都试图达到这个目的。这些方法是将金属原子等(铬、铁、镍、V或Ta) TiO的晶格₂(3,4]和掺杂阴离子物种(C、P、S、N或F) TiO₂矩阵(5]。的掺杂阴离子物种,据报道,TiO N掺杂激活₂这两个地区的可见光和紫外线的6,7]。N掺杂已经主要由使用一个化学过程,如溶胶-凝胶法(8)或物理过程,如骑士(9]。n型TiO的光催化性能的提高₂在可见光下已经从不同的观点对其机制的研究(10- - - - - -13]。

最近,一些研究人员使用离子注入法(14,15)因为它的优势是能够治疗在低温或能够轻易控制掺杂层(16]。因此,离子注入与高温扩散法交替。在的情况下离子注入到TiO₂薄膜,这种方法可以创建氧空位增加TiO₂活动(17),可以使TiO₂对可见光响应当N是TiO代替O₂晶格。提高植入TiO的光催化性能₂薄膜在可见光是由于TiO的化学和微观结构的变化₂。大部分的研究离子注入TiO₂薄膜(18只覆盖一个锐钛矿型,而关于n型金红石TiO一些报纸报道₂为例,本文提到的差异反应相比,n型锐钛矿TiO₂(13]。

在这工作,TiO₂薄膜的金红石、锐钛矿、混合类型与锐钛矿和金红石被反应磁控溅射的方法。的兴奋剂离子进入TiO₂薄膜与几个使用离子束辐照执行离子剂量。化学、结构、形态和光催化性能的函数离子剂量。预计,一个N原子代替TiO的O原子₂晶格TiO的光催化性质₂提高薄膜在可见光。

2。实验的细节

2.1。准备样品

磁控溅射源的弗里曼式离子源被用来制造TiO multiprocess-coating系统₂薄膜和TiO的照射₂薄膜的分别离子。康宁玻璃(1737)衬底上固定的持有者multiprocess-coating系统和气急败坏的说离子10分钟以干净的底物。这个清洁在分离室进行电影制作过程。镀膜室是由涡轮分子泵和旋转泵到达燃烧室压力小于1.3×10⁻⁵Pa。电影制作过程是通过引入一种基于“增大化现实”技术的气体流量20 sccm的附近钛溅射靶,通过应用一个输入功率为100 W。同时,一个阿₂介绍了气体在衬底在1.5或2.3 sccm流量。镀膜室的压力保持在8×10⁻²Pa在573 K的压力和衬底温度通过电影制作。Ti-sputtering率是衡量使用石英晶体微量天平(药物)。这是0.025 nm / 1.5 sccm和0.009 nm /年代2.3 sccm O₂气体流量,分别。因为不同的溅射率结果由于表面氧化钛的目标,溅射时间从每个沉积速率计算获得200纳米膜厚度。TiO的₂薄膜制造2.3 sccm O₂(一位tio流量显示了锐钛矿结构₂),而1.5 sccm的样本显示(M-TiO混合结构₂锐钛矿和金红石。金红石结构(R-TiO₂)是通过退火混合结构在700°C下2小时在空中。

离子注入是通过使用弗里曼式离子源。离子分离用45度的质量分离器。一位tio的样本₂,R-TiO₂,M-TiO₂在常量离子辐照的能量15千伏40的恒定电流密度μ一个/厘米²。不同剂量的2.5×10¹⁵5×10¹⁵和7.5×10¹⁵离子/厘米²是由离子辐照时间控制。离子注入过程是在一个房间温度与压力小于1×10⁻⁴爸和入射角的0度。

2.2。电影特性测量

电影结构是由x射线衍射(XRD): MAC科学优质XG M18XCE) CuKα(0.154海里)辐射的入射角0.3°。这部电影组成的特征x射线光电子能谱(XPS: ULVAC-PHI, Inc .)单色Al-K集中αx射线源(1486.6 eV),一个最大的能量分辨率0.48 eV。钛的化学状态和原子浓度,O, N和C测定和引用标准C高峰。深度剖面的离子刻蚀模式得到2离子能量和20 kVμ一个/厘米²在一个离子电流的最大3分钟。观察样品的表面形态和截面的原子力显微镜(AFM:岛津制作所spm - 9500)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM: s - 4800日立高新技术有限公司),分别。TiO的光催化性能₂薄膜是由分解评估的亚甲蓝(MB, C的解决方案₁₆H₁₈ClN₃S) 10 ppm石英电池的大小为10×10×50毫米。样品面积100毫米²沉浸在一个MB 3毫升的解决方案。紫外光辐照样品是通过使用一个商业灭菌灯(S.L.)的主波长280纳米的光强度0.088 mW /厘米²在360纳米。人工阳光灯(A.L.),紫外截止滤光片(在350海里)也辐照样品的光强度0.228 mW /厘米²在360纳米。光照射后的变化使脱色MB的解决方案是通过测量透光率计算MB的解决方案使用分光光度计(uv - 2550,日本岛津公司有限公司)定期。

3所示。结果与讨论

3.1。表面形态和结构

图1显示了x射线衍射模式和每个TiO的横断面图像₂薄膜具有不同的结构。一位tio的x射线衍射模式₂薄膜显示出强劲的锐钛矿的峰值(101)没有和R-TiO金红石结构₂薄膜显示出强烈的金红石峰值(110),而M-TiO₂薄膜有锐钛矿的双强峰(101)和金红石(110)。根据横断面图像、一位tio的厚度₂薄膜146海里是由于减少的溅射率高啊₂在电影制作气体流速,而R-TiO的厚度₂薄膜和M-TiO₂薄膜分别是188和182海里。每个TiO₂薄膜显示柱状结构。一位tio的₂薄膜的晶粒尺寸约40海里,因为高的结晶。的R-TiO₂和M-TiO₂薄膜是16.9 - -21.8和24.8 -31 nm,分别。

澄清了粗糙度的AFM图像利用模式(Ra)和每个TiO的形态₂薄膜在不同的结构和后离子辐照。图2显示视图的顶部,R -, M-TiO₂薄膜(a)和电影的辐照离子剂量的5×10¹⁵离子/厘米²(b)。很明显,一位tio的形态₂薄膜是不同的R -和M-TiO₂薄膜。一位tio的形态₂薄膜是一个聚合的球形粒子的数量每1.0 22日至25日μ米的长度。这个球的粒径大小与40 - 45.45 nm,观察到的横断面图像。R——M-TiO₂薄膜显示小球形颗粒和粗糙度与一位tio相比₂薄膜。这些小颗粒大小的25 - 33.3 nm计算球形颗粒的数量每1.0 30 - 40μm和略大于横截面的大小表示图像的R - M-TiO₂薄膜。

的粗糙度ion-irradiated TiO₂薄膜是比unirradiated TiO₂薄膜。每个unirradiated TiO的表面₂薄膜被溅射的粗暴对待离子辐照。的表面ion-irradiated R - - -一位tio₂薄膜表现出较小的晶粒尺寸与unirradiated薄膜相比,而M-TiO的表面₂薄膜转向一个更大的晶粒尺寸离子辐照。这些表面辐照TiO的变化₂薄膜的影响离子剂量和离子预计范围。它被认为是增加的粒度ion-irradiated M-TiO₂薄膜受到高N浓度薄膜。

图3显示了x射线衍射模式的unirradiated, R -, M-TiO₂薄膜和辐照,R -, M-TiO₂薄膜与几个准备离子剂量。一位tio的结构₂薄膜拒绝与离子辐照的大幅减少锐钛矿峰(101)显示,而金红石R-TiO的峰值(110)₂薄膜没有大的变化离子辐照因为金红石型的热稳定性。通常知道离子注入方法课程物理和热影响衬底。晶格损伤由于离子和晶格原子之间的碰撞激发复合和植入离子的动能转化为热能。离子辐照改变中扮演了主要角色从锐钛矿结构混合物(16]。在一位tio的x射线衍射模式₂薄膜,小金红石(110)开始出现一个峰值离子剂量。此外,在M-TiO的情况下₂薄膜的x射线衍射模式显示减少的锐钛矿峰(101)与增加的离子剂量。为每个TiO XRD的变化模式₂取决于TiO的热稳定性₂结构类型。

3.2。化学状态

图4显示了XPS Ti2p和n1 unirradiated TiO的光谱₂薄膜和辐照、R和M-TiO₂用N薄膜⁺离子剂量的5.0×10¹⁵离子/厘米²,分别。这些光谱测量样品表面没有离子刻蚀过程。n1的山峰ion-irradiated TiO₂薄膜被发现在399.1 eV结合能。由于氮化钛的峰值出现在396.0 eV XPS编目数据显示,据估计,这些峰值399.1 eV Ti-O-N联系造成的分配作为一个原子β- n的状态。因此,这些结果表明,N被纳入TiO植入₂格和代替O (19- - - - - -22]。这也是证明Ti2p XPS谱的结果,因为Ti2p峰值下降和略转向高结合能离子辐照表明Ti-O键是伴随着Ti-N键(23),此外,O原子浓度减少增加离子剂量如表所示1显示,O原子浓度,Ti,和N离子辐照,R -, M-TiO₂薄膜与几个离子剂量。N浓度在每一个薄膜是成正比的离子剂量与证明根据TiO截然不同的区别₂结构类型。的M-TiO₂薄膜包括一个更大的N浓度与-或R-TiO相比₂薄膜而R-TiO较小的N浓度表示₂薄膜。植入N的值是影响晶体和TiO的密度₂薄膜,因为TiO的密度₂体积为3.86 g厘米⁻³金红石型和锐钛矿型的小8.7% [24]。众所周知,沉积膜的密度取决于沉积参数低于大部分材料(25]。

3.3。光催化性质

光催化性能研究的分解一个MB的解决方案。MB的解决方案表现出的初始透过率2.0%,主要吸收波长664 nm。图5显示了664海里的透光率变化的分解率MB解决方案unirradiated A - 6小时后,R - M-TiO₂薄膜和离子辐照薄膜。的透光率在S.L. unirradiated TiO₂比的薄膜显示出更大的活动ion-irradiated TiO₂薄膜。很明显的效果离子辐照下S.L.没有显示因为TiO的缺陷₂晶格的离子束碰撞产生的影响离子剂量紫外线不是最初的预期。另一方面,离子辐照TiO₂薄膜显示A.L.下透光率的增加然而离子辐照,透光率下降了的过剩离子剂量。从这些结果,最大的光催化活性,R -, M-TiO₂薄膜是显示在一个离子剂量的2.5×10¹⁵离子/厘米²。

4所示。结论

三种不同结构的锐钛矿、金红石和TiO混合物₂薄膜是由反应磁控溅射的方法。离子束与几个剂量辐照TiO₂薄膜在室温下与三种不同的结构。结构、形态、化学、光催化性能unirradiated和调查离子辐照薄膜。锐钛矿(101)峰被削弱了离子辐射,而金红石(110)峰没有大的变化离子辐照。n1的光谱离子辐照,R -, M-TiO₂薄膜有相对应的峰值399.1 eV Ti-O-N键;然而,N浓度为每一个结构显示一个不同的值,尽管相同的辐照离子剂量。很明显,离子注入率被TiO不同₂结构类型。TiO的N₂点阵代替O证实了XPS结果和伟大作用改善TiO的光催化活性₂薄膜在可见光。

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