纳米TiO2薄膜的脉冲激光沉积及其光学特性

采用脉冲激光沉积技术(PLD)在硅基片上生长了二氧化钛纳米晶氧化物薄膜, 系统讨论了基片温度、氧分压等因素对薄膜结构特性的影响.X射线衍射结果表明在氧气氛下, 生长的薄膜为锐钛矿结构, 其结晶性随着基片温度的升高而增强, 在750℃、5Pa氧压的情况下为完全c轴取向的锐钛矿相TiO₂薄膜, 在750℃、5Pa氩气氛下则为(110)取向的金红石相薄膜. 场发射扫描电子显微镜结果表明薄膜表面致密, 呈纳米晶结构, 其晶粒尺寸在35nm左右.用傅立叶红外光谱和拉曼光谱对不同条件下制备的TiO₂薄膜进行了表征.紫外-可见透射光谱的测试结果表明, 薄膜在可见光区具有良好的透过率, 计算得到制备的锐钛矿和金红石相TiO₂薄膜在550nm处的折射率分别为2.3和2.5, 其光学带隙分别为3.2和3.0eV.因此通过沉积条件的改变可得到结晶性能和光学性能都不同的TiO₂薄膜.     

二氧化钛薄膜的三阶非线性光学特性

采用脉冲激光沉积技术在熔石英基片上制备了c轴取向的锐钛矿相TiO₂薄膜.通过X射线衍射和原子力显微镜对薄膜的结构、结晶性和表面特性进行了表征.通过透射光谱计算得到TiO₂薄膜折射率约为2.1,光学带隙约为3.18eV.结合飞秒激光和Z扫描方法测量了薄膜的超快非线性光学特性,结果表明：锐钛矿TiO₂薄膜具有负的非线性吸收系数和负的非线性折射率,其大小分别为-6.2×10^-11m/W和-6.32×10^-17m²/W,对应的三阶非线性极化率的实部和虚部分别为-7.1×10^-11esu和-4.42×10^-12esu.并计算薄膜的优值比T=βλ/n₂≈0.8,表明锐钛矿相的TiO₂在非线性光学器件方面具有潜在的应用前景.     

硅基板上Fe掺杂TiO2氧敏薄膜的制备、结构与性能研究

采用溶胶-凝胶法,以Ti(OC₄H₉)₄为前驱体,用提拉法在硅基板上制备了掺Fe的TiO₂氧敏薄膜,对薄膜物相结构进行了X射线衍射(XRD)测定,利用扫描电镜(SEM)对薄膜微结构进行了观察.结果表明:在硅基板上生长的TiO₂薄膜中锐钛矿相为均匀小晶粒分布结构,金红石相以大尺度团聚结构形貌出现.Fe离子的掺杂对硅基板上制备的TiO₂薄膜中金红石相的形成有很大的影响.Fe的掺入降低了金红石相的形成温度约100℃,Fe掺量在6mol% 时,形成金红石相的量达到最大,即析晶能力最强.薄膜中形成晶相的晶格常数在<6mol%的低Fe范围内,随较小的Fe离子取代较大的Ti离子,锐钛矿相和金红石相的晶格常数都随之减小;在>6mol%的高Fe掺量范围内,随Fe掺量的增加,体系缺陷过量增加,晶格结构畸变严重,伴随着畸变能的释放,金红石相的晶格常数c轴逐渐增长,n轴略有下降(或基本不变). TiO₂氧敏薄膜的氧敏性能受金红石相含量和氧空位浓度控制.当Fe离子掺杂浓度为6mol% 时,金红石相及相应氧空位达到最大值,TiO₂氧敏薄膜的氧敏性能也达到最大值,比刚形成金红石相的薄膜的氧敏性能增加近19倍.     

铝硅酸盐中间体对TiO2纳米粒子团聚及相转变的抑制

以粉煤灰为原料, 通过与NaOH煅烧、水解合成铝硅酸盐中间体(ASI), 向sol-gel法制备的TiO₂溶胶中加入ASI, 经处理得到钛铝硅酸盐复合材料(TiO₂/ASI). X射线衍射分析(XRD)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)研究ASI对sol-gel方法制备TiO₂纳米晶形成过程和相转变的影响. 研究结果表明: 铝硅酸盐中间体不但能抑制TiO₂纳米粒子的团聚, 而且能够有效地抑制TiO₂由锐钛矿型向金红石型的相转变, 由此所制备TiO₂与ASI的钛铝硅酸盐复合材料(TiO₂/ASI)对溶液中亚甲基蓝的吸附性能高于单一的TiO₂或铝硅酸盐中间体.     

多孔SiO2与TiO2复合纳米材料的制备及光催化性能

在溶胶水热法所合成的锐钛矿相TiO₂纳米晶基础上,利用模板剂调制的SiO₂溶胶进一步合成了多孔SiO₂与TiO₂复合纳米粒子,重点研究了复合SiO₂对纳米锐钛矿相TiO₂热稳定性及光催化活性的影响.结果表明,复合SiO₂提高了纳米锐钛矿相TiO₂的热稳定性,经过900℃热处理后的TiO₂仍然具有以锐钛矿相为主的相组成.在光催化降解罗丹明B实验过程中,经过高温热处理的复合纳米材料表现出优于Degussa P25 TiO₂的活性,这主要与其锐钛矿相结晶度提高和具有较大比表面积等有关.     

钛合金微弧氧化膜微晶生长特性的研究

在Na₂CO₃-NaOH溶液中, 采用自制多功能单极性脉冲微弧氧化电源在TC4钛合金上制备了TiO₂薄膜. 利用XRD和SEM分别对氧化膜的相组成和表面形貌进行了分析. 结果表明, 在脉冲频率和电流密度分别固定为5000Hz和20A/dm²时, 氧化膜主要含锐钛矿和金红石相TiO₂,随着处理时间的延长, 金红石TiO₂的相对含量逐渐增加; 氧化膜呈多孔结构, 表面布满了尺寸在300nm～1μm之间的TiO₂颗粒, 随着处理时间的延长, 这些颗粒微孔的尺寸明显变大, 其密度逐渐减小.     

电参数对Ti6Al4V合金微弧氧化陶瓷膜结构特性的影响

采用交流微弧氧化法于Na₂SiO₃-KOH-(NaPO₃)₆。溶液中在Ti6A14V表面形成了氧化物陶瓷膜.研究了微弧氧化电压与频率对陶瓷膜的生长速率、组织形貌和相组成的影响.结果表明:随电压的升高或频率的减小,膜层的生长速率增加,膜层的表面质量变得粗糙.相对致密均匀的膜层主要由TiO₂(锐钛矿相及金红石相)相组成,电压与频率电参数影响膜层的相组成,随电压的升高和频率的减小,膜层中锐钛矿相TiO₂的相对含量减小,金红石相TiO₂的相对含量增加,并成为主晶相.     

TiO2纳米晶溶胶水热的合成及其染料敏化光电性能

以异丙醇钛为前驱体,采用溶胶水热方法合成了TiO₂纳米晶. 采用XRD和TEM等测试技术研究了合成条件对TiO₂纳米晶的晶粒度、结晶度以及相转变的影响规律. 研究显示,通过控制前驱液的预热处理、水热温度及前驱液浓度等条件,实现了对TiO₂纳米晶的晶型、结晶度、晶粒度 (10～20nm 到120nm) 的稳定调控. 采用优化实验条件后得到的TiO₂纳米晶的水性浆料,使用精确控制膜厚的涂布技术,制作成染料敏化太阳电池 (Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC).由于制备的TiO₂纳米晶具有纯锐钛矿晶型、合适的晶粒大小和良好的结晶性,使DSSC的光电转换效率达到了7.33%,高于同样实验条件下以P25或商业TiO₂浆料制作的DSSC的光电转换效率.     

钒掺杂纳米TiO2薄膜的结构和光吸收性能

采用磁控溅射法制备了不同V含量的纳米TiO₂薄膜,利用SEM、XRD、Raman光谱和UV-vis吸收光谱对V掺杂TiO₂薄膜的表面形貌、结晶特性、晶格应力和光吸收性能进行了分析.结果表明,V掺杂可促进TiO₂薄膜晶粒的定向生长,得到尺寸分布较均匀的哑铃状晶粒,且可抑制薄膜的晶格膨胀和金红石型晶粒的生成.V掺杂TiO₂薄膜处于压应力状态,且应力随V含量增加而增大.V掺杂使导带底向带隙延伸,TiO₂薄膜光学带隙变窄,光响应范围从紫外区红移到可见光区域,提高了薄膜对可见光的吸收率.     

原位合成TiO2纳米管阵列及其光催化性能研究

采用液相沉积法(LPD), 以阳极氧化铝(AAO)为模板, 原位合成高度有序的TiO₂纳米管薄膜材料. 实验结果表明, 经过400℃热处理后, 制备的TiO₂纳米管为锐钛矿相, 长度达5μm, 管外径为150nm左右, 管壁厚为25nm左右. 热处理后的TiO₂薄膜具有良好的光催化降解甲基蓝的性能, 即经过120min卤灯照射后, 甲基蓝被完全降解.     

敏化的TiO2纳米晶表面形貌、晶相、光谱及光催化灭菌研究

用sol-gel法,制备了不同形态和晶相的二氧化钛纳米粒子.以叶绿素作为敏化剂对不同形态的二氧化钛纳米晶进行敏化,敏化前后的二氧化钛纳米晶分别用XRD、AFM、紫外可见光谱和荧光光谱进行了表征和分析,表明敏化达到了非常好的光电转换效果.选用白菜的软腐病菌作为实验菌进行评价实验,结果表明敏化的二氧化钛纳米晶在可见光下50min杀菌率几乎达到100％.     

基底温度对直流溅射Nb掺杂TiO2薄膜性能的影响

采用陶瓷靶直流磁控溅射,以玻璃为基底制备2.5wt%Nb掺杂TiO2薄膜,控制薄膜厚度在300~350 nm,研究了不同基底温度下所制得薄膜的结构、形貌和光学特性.XRD分析表明,基底温度为150℃、250℃和350℃时,薄膜分别为非晶态、锐钛矿(101)和金红石相(110)结构.基底温度250℃时,锐钛矿相薄膜的晶粒尺寸最大,约为32 nm.薄膜表面形貌的SEM分析显示,薄膜粗糙度和致密度随基底温度升高得到改善.薄膜的平均可见光透过率在基底温度为250℃以内约为70%,随基底温度升高至350℃,平均透过率下降为59%,金红石相的存在不利于可见光透过.Nb掺杂TiO2薄膜的光学带宽在3.68~3.78 eV之间变化.基底温度为250℃时,锐钛矿相薄膜的禁带宽度最大,为3.78 eV.     

Rutile thin film responsive to visible light and with high UV light sensitivity

A transparent rutile thin film 100 nm thick was fabricated on a quartz glass substrate; it was responsive to visible light and had a higher sensitivity to UV light than an anatase thin film formed by sol–gel method under identical conditions. The crystal structure was determined by observations using X-ray diffraction, Raman spectra, and a transmission electron microscope. The oxygen/titanium ratio of the rutile thin films was 1.78 according to the XPS peaks. The photoreactivity and photoinduced hydrophilicity of the rutile thin films was examined by measuring the pseudo first-order rate for the decoloration of methylene blue in an aqueous solution and the water contact angle, respectively. The high photoreactivity and photosensitivity of the O-deficient rutile thin film, whose optical band edge and refractive index were 3.10 eV and 2.2, respectively, were due to electron traps and assisted by O-defects within the rutile particles.     

磁控溅射制备纳米TiO2薄膜导电性的研究

研究了在纳米厚度范围内,TiO₂薄膜的导电性与薄膜厚度和基底材料的关系.利用射频磁控溅射方法,使用高纯Ti(99.99％)靶,通入Ar和O₂的混合气体,制备了TiO₂薄膜,薄膜膜厚15～225nm.在室温下测量了不同厚度TiO₂薄膜的电阻率,发现TiO₂薄膜的导电性,先后在导体、半导体和绝缘体范围变化.这归因于基底材料与TiO₂的功函数不同,导致了界面电子的转移,功函数差决定了电子转移的深度.     

金红石TiO2晶体中F和F+心电子结构及其吸收光谱研究

本文运用嵌入原子簇的电荷自治离散变分方法（SCC－DVM－Xα方法）分别对TIO₂晶体中F和F+心的能级结构进行了计算,得到了F和F⁺心的光学吸收跃迁模式,其跃迁能量分别是0.98、1.78eV.我们认为,经还原后的TiO2晶体,在光吸收实验中测到的1．2μm（1.02eV）、760um（1.75eV）两个峰分别是由于还原过程中形成的F和F⁺心的吸收峰,并存在着F→F⁺的转型过程．     

Deposition and modification of titanium dioxide thin films by filtered arc deposition

Thin films of titanium dioxide have been deposited on glass substrates and conducting (100) silicon wafers by filtered arc deposition (FAD). The influence of the depositing Ti⁻ energy, substrate types and substrate temperature on the structure, density, mechanical and optical properties have been investigated. The results of X-ray diffraction (XRD) showed that with increasing substrate bias, the film structure on silicon substrates changes from anatase to amorphous and then to rutile phase without auxiliary heating, the transition to rutile occurring at a depositing particle energy of about 100 eV. However, in the case of the glass substrate, no changes in the structure and optical properties were observed with increasing substrate bias. The optical properties over the range of 300–800 nm were measured using spectroscopic elliosometery, and found to be strongly dependent on the substrate bias, film density and substrate type. The refractive index values of the amorphous, anatase and rutile films on Si were found to be 2.56, 2.62 and 2.72 at a wavelength of 550 nm, respectively. The hardness and elastic modulus of the films were found to be strongly dependent on the film density. Measurements of the mechanical properties and stress also confirmed the structural transitions. The hardness and elastic modulus range of TiO₂ films were found to be between 10–18 and 140–225 GPa, respectively. The compressive stress was found to vary from 0.7 to 2.6 GPa over the substrate bias range studied. The composition of the film was measured to be stoichiometric and no change was observed with increasing substrate bias. The density of the film varied with change in the substrate bias, and the density ranged between 3.62 and 4.09 g/cm³.     

氮硫掺杂介孔TiO2薄膜结构及其光催化性能

分别以Ti(OBuⁿ)₄和Pluronic F127为无机前驱体和模板剂, 以硫脲为添加剂, 采用sol-gel法结合蒸发致自组装法（EISA）制备了锐钛矿结构的介孔TiO₂薄膜材料.采用SEM、 XPS、N₂ 吸附-脱吸、XRD和 UV-Vis光谱对其进行了表征. 研究发现, 向前驱体溶液添加硫脲一方面改变了TiO₂的介孔结构, 另一方面对介孔TiO₂进行了N、S共掺杂. 当溶液中硫脲与Ti(OBuⁿ)₄的摩尔比为2.5%时, 介孔TiO₂的孔径由未掺杂的7.0nm增至12.4nm, 光催化降解甲基橙实验表明其在紫外光区具有最优的光催化活性; 当溶液中硫脲与Ti(OBuⁿ)₄的摩尔比为5%时, 其吸收边由380nm扩展至520nm, 光催化降解罗丹明B实验表明其在可见光下显示出最优的光催化活性.     

TiO2/ACF复合材料的Sol-Gel法制备及其对苯的去除性能

以钛酸四丁酯为钛源,采用改进溶胶凝胶法合成TiO₂前驱体;采用浸渍提拉法将TiO₂前驱体负载在活性炭纤维(ACF)表面制得TiO₂/ACF复合材料.采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、低温液氮吸附等对TiO₂/ACF复合材料晶相结构、表面结构等进行了表征.在静态自制光催化反应装置中紫外光照射条件下,以高浓度（2926.5mg/m³）气态苯考察TiO₂/ACF对气相有机污染物的去除性能,以气相色谱质谱（GC-MS）检测中间产物种类与分布.结果表明：TiO₂于ACF表面形成完整薄层,随负载次数增加,TiO₂/ACF比表面积下降;TiO₂薄层变厚、开裂,甚至脱落.400 ℃煅烧时TiO2已完全转变为锐钛矿相,随煅烧温度升高,锐钛矿型TiO₂晶粒尺寸变大,至700℃时开始有金红石相生成.负载2次,400 ℃煅烧TiO₂/ACF复合材料TiO₂/ACF-400-2表现出最高活性.TiO₂/ACF对苯的去除过程中未检测到毒性较大的酚、醌类中间产物.