一种TiO₂/SiO₂复合薄膜的制备方法

专利名称：一种TiO₂/SiO₂复合薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及无机材料二氧化钛/ 二氧化硅(Ti02/Si02)的制备，尤其是Ti02/Si02 复合薄膜的制备方法。
背景技术：
二氧化钛(TiO2)具有良好的光催化性和亲水性能，并由于其化学稳定性好、反应活性高，成本低而受青睐。光催化TiO2材料可用于降解有机物、杀菌消毒、污水处理、空气净化、防雾玻璃、自清洁玻璃等方面，已成为环保纳米材料研究开发的一个热点。但是，纯 TiO2表面暴露的活性位有限，在光催化降解过程中Ti02有效利用率受到限制。而采用Ti02/ SiO2复合光催化剂，不仅可以降低成本，并且在不损失有效光照的情况下，可以提高TiO2的表面活性位。这种Ti02/Si02复合薄膜能有效提高光催化活性、亲水性等性能。目前制备 Ti02/Si02复合薄膜的制备的方法主要有溶胶-凝胶(&)l-gel)法，化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)，物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)，射频磁控溉射(Radio Frequency Magnetron Sputtering)等方法。在这些方法中，溶液-凝胶法和喷涂法得到的TW2与Ti02/Si&薄膜的膜厚均勻度难于控制；CVD法制备的薄膜与基体的附着力又较差，容易脱落；而磁控溅射法可以克服前面方法的缺点，能够获得附着力好、薄膜厚度均一的TW2与Ti02/Si&薄膜，但是利用磁控溅射法制备Ti02/Si&复合薄膜还没有报道。

发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提出了一种方便、有效的制备方法。本发明是通过下述技术方案得以实现的一种Ti02/Si&复合薄膜的制备方法，其特征是包括如下步骤(1)按Si/Ti摩尔比为1 1的量，称取1102/5102复合纳米粉末，用玛瑙碾钵碾磨使复合纳米粉末混合均勻；用压片机将打02/3102复合粉末压制成直径为50-60mm的固体靶材，而后经580-620°C热处理3h以上，即制得Si/Ti比为1/1靶材；(2)将干净的石英玻璃衬底固定在样品托上，关好各气阀后抽真空，直至真空度达到l.OXlO—Va以上，通入高纯气体氮气、氩气、或氦气，调节分子泵闸板阀，将气压调整到 0. 6Pa，打开射频源起辉，以小于60W的功率对靶材预溅射4-5分钟，然后升高射频功率至 150-200W，打开样片挡板开始沉积薄膜，沉积时间为3小时以上，最后关射频源，停止起辉； 即得石英玻璃衬底表面上的Ti02/Si&复合薄膜。作为优选，上述步骤(1)中所述的热处理温度为600°C，处理时间为池。作为优选，上述制备方法中所述的高纯气体为纯度达99. 9%以上的氮气；可以更好的使整个环境处于良好的状态。作为优选，上述制备方法中沉积时间为4-5小时。本发明是采用磁控溅射法，靶材原料为锐钛矿型TiA纳米粉末和无定型SiA纳米
3粉末，用分析天平按照Si/Ti摩尔比为1/1称取Ti02/Si&复合纳米粉末，再用玛瑙碾钵充分碾磨，使得复合纳米粉末充分混合均勻。用压片机将Ti02/Si&复合粉末压制成固体靶材，而后热处理，即制得稳定、强度高、混合均勻的Si/Ti比为1/1靶材。薄膜的制备采用石英玻璃为衬底，其清洗过程为先用硝酸浸泡石英片，并用超声波清洗lOmin，再用去离子水反复冲洗，然后依次用丙酮、乙醇浸泡，超声波清洗，以除去表面的各种污染物，之后自然干燥，备用。Ti02/Si&复合薄膜的制备过程将已经清洗好的衬底固定在样品托上，关好各气阀后抽真空，通入适量的高纯气体，调节分子泵间板阀，调整气压，开射频源起辉，以较低功率对靶材预溅射，然后升高射频功率，待机器各方面参数稳定一段时间，打开样片挡板开始沉积薄膜，沉积一定时间，最后关射频源，停止起辉。取出样品可以发现石英玻璃衬底表面有一层透明且发亮的沉积物。这层透明的沉积产物为Ti02/Si&复合薄膜。有益效果本发明制备过程中，所用试剂均为商业产品，无需繁琐制备；采用磁控溅射法制备Ti02/Si&复合薄膜，工艺可控性强，易操作，成本低，制得的产物纯度高。


图1是用本发明方法制得的Ti02/Si&复合薄膜的原子力显微镜(AFM)照片；图2是用本发明方法制得的Ti02/Si&复合薄膜的能谱(EDS)图；图3是用本发明方法制得的Ti02/Si&复合薄膜的亲水性试验图。
具体实施例方式以下结合实例进一步说明本发明。实施例1用分析天平按照Si/Ti摩尔比为1/1称取8g的Ti02/Si&复合纳米粉末，再用玛瑙碾钵充分碾磨，使得复合纳米粉末充分混合均勻。用压片机将Ti02/s^2复合粉末压制成直径为50mm的固体靶材，而后600°C热处理3h，即制得稳定、强度高、混合均勻的Si/Ti比为1/1靶材。Ti02/Si&复合薄膜的制备过程将已经清洗好的石英玻璃衬底固定在样品托上，关好各气阀后抽真空，直至真空度达到l.OXlO—Va以上，通入适量的高纯气体氮气，调节分子泵闸板阀，将气压调整到0. 6Pa，开射频源起辉，以较低功率50W对靶材预溅射5分钟，升高射频功率150W，待机器各方面参数稳定一段时间，打开样片挡板开始沉积薄膜，沉积时间为4小时，最后关射频源，停止起辉。取出样品可以发现石英玻璃衬底表面有一层透明且发亮的沉积物。这层透明的沉积产物为Ti02/Si02复合薄膜。直接在原子力显微镜下观察如图1，可以发现薄膜生长完全，颗粒和边界清晰，颗粒大小均勻，形状比较规则，在称底上分布很均勻致密，并且铺满整个衬底。图2的EDS分析表明制备的复合薄膜中含有Ti、 Si、O元素。超亲水性是在^是的时间范围内，液滴在薄膜的接触角不大于5°，自然超亲水性是指在自然条件下就具有超亲水性。图3为Ti02/Si02复合薄膜的亲水性试验图。液滴在该样品表面浸润全过程的动态截图显示，0. 33s时，接触角小于2。，1. 667s时液滴在薄膜的表面完全浸润，表明所得Ti02/Si&复合薄膜具有超亲水性。实施例2用分析天平按照Si/Ti摩尔比为1/1称取8g的Ti02/Si&复合纳米粉末，再用玛瑙碾钵充分碾磨，使得复合纳米粉末充分混合均勻。用压片机将Ti02/s^2复合粉末压制成直径为50mm的固体靶材，而后610°C热处理3h，即制得稳定、强度高、混合均勻的Si/Ti比为1/1靶材。Ti02/Si&复合薄膜的制备过程将已经清洗好的石英玻璃衬底固定在样品托上，关好各气阀后抽真空，直至真空度达到l.OXlO—Va以上，通入适量的高纯气体氦气，调节分子泵闸板阀，将气压调整到0. 6Pa，开射频源起辉，以较低功率50W对靶材预溅射5分钟，升高射频功率150W，待机器各方面参数稳定一段时间，打开样片挡板开始沉积薄膜，沉积时间为5小时，最后关射频源，停止起辉。取出样品可以发现石英玻璃衬底表面有一层透明且发亮的沉积物。这层透明的沉积产物为Ti02/Si02复合薄膜。产物的表面形貌，成分和亲水性等特性均与实施例1相同。实施例3用分析天平按照Si/Ti摩尔比为1/1称取8g的Ti02/Si&复合纳米粉末，再用玛瑙碾钵充分碾磨，使得复合纳米粉末充分混合均勻。用压片机将Ti02/s^2复合粉末压制成直径为50mm的固体靶材，而后580°C热处理3h，即制得稳定、强度高、混合均勻的Si/Ti比为1/1靶材。Ti02/Si&复合薄膜的制备过程将已经清洗好的石英玻璃衬底固定在样品托上，关好各气阀后抽真空，直至真空度达到l.OXlO—Va以上，通入适量的高纯气体氩气，调节分子泵闸板阀，将气压调整到0. 6Pa,开射频源起辉，以较低功率40W对靶材预溅射5分钟，升高射频功率200W，待机器各方面参数稳定一段时间，打开样片挡板开始沉积薄膜，沉积时间为4小时，最后关射频源，停止起辉。取出样品可以发现石英玻璃衬底表面有一层透明且发亮的沉积物。这层透明的沉积产物为Ti02/Si02复合薄膜。产物的表面形貌，成分和亲水性等特性均与实施例1相同。实施例4用分析天平按照Si/Ti摩尔比为1/1称取8g的Ti02/Si&复合纳米粉末，再用玛瑙碾钵充分碾磨，使得复合纳米粉末充分混合均勻。用压片机将Ti02/s^2复合粉末压制成直径为50mm的固体靶材，而后600°C热处理3h，即制得稳定、强度高、混合均勻的Si/Ti比为1/1靶材。Ti02/Si&复合薄膜的制备过程将已经清洗好的石英玻璃衬底固定在样品托上，关好各气阀后抽真空，直至真空度达到l.OXlO—Va以上，通入适量的高纯气体氮气，调节分子泵间板阀，将气压调整到0. 6Pa，开射频源起辉，以较低功率对靶材预溅射5分钟，升高射频功率200W，待机器各方面参数稳定一段时间，打开样片挡板开始沉积薄膜，沉积时间为5小时，最后关射频源，停止起辉。取出样品可以发现石英玻璃衬底表面有一层透明且发亮的沉积物。这层透明的沉积产物为Ti02/Si02复合薄膜。产物的表面形貌，成分和亲水性等特性均与实施例1相同。
权利要求
1.一种Ti02/Si&复合薄膜的制备方法，其特征是包括如下步骤(1)按Si/Ti摩尔比为1 1的量，称取1102/3102复合纳米粉末，用玛瑙碾钵碾磨使复合纳米粉末混合均勻；用压片机将Ti02/Si&复合粉末压制成直径为50-60mm的固体靶材， 而后经580-620°C热处理3h以上，即制得Si/Ti比为1/1靶材；(2)将干净的石英玻璃衬底固定在样品托上，关好各气阀后抽真空，直至真空度达到l.OXlO—Va以上，通入高纯气体氮气、氩气、或氦气，调节分子泵闸板阀，将气压调整到 0. 6Pa，打开射频源起辉，以小于60W的功率对靶材预溅射4-5分钟，然后升高射频功率至 150-200W，打开样片挡板开始沉积薄膜，沉积时间为3小时以上，最后关射频源，停止起辉； 即得石英玻璃衬底表面上的Ti02/Si&复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种Ti02/Si02复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的热处理温度为600°C，处理时间为池。
3.根据权利要求1所述的一种Ti02/Si&复合薄膜的制备方法，其特征在于所述的高纯气体为纯度达99. 9%以上的氮气。
4.根据权利要求1所述的一种Ti02/Si&复合薄膜的制备方法，其特征在于沉积时间为4-5小时。
5.根据权利要求1所述的一种Ti02/Si&复合薄膜的制备方法，其特征在于干净的石英玻璃的清洗过程为先用硝酸浸泡石英片，并用超声波清洗lOmin，再用去离子水反复冲洗，然后依次用丙酮、乙醇浸泡，超声波清洗，以除去表面的各种污染物，之后自然干燥，备用。
全文摘要
本发明公开了一种无机材料二氧化钛/二氧化硅(TiO2/SiO2)的制备，尤其是TiO2/SiO2复合薄膜的制备方法。本发明是采用磁控溅射法，把TiO2/SiO2复合纳米粉末，碾磨、充分混合均匀；然后压制成固体靶材，而后热处理，即制得靶材；用石英玻璃为衬底，以较低功率对靶材预溅射，然后升高射频功率，待机器各方面参数稳定一段时间，打开样片挡板开始沉积薄膜，沉积一定时间，地石英玻璃衬底表面上一层透明且发亮的沉积物即为TiO2/SiO2复合薄膜。本发明的优点工艺可控性强，易操作，成本低，制得的产物纯度高。本发明所制备的产品具有广泛的用途。
文档编号C23C14/34GK102162086SQ201110075758
公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者刘洋溢, 唐为华, 朱晖文, 李培刚, 王顺利 申请人:浙江理工大学