专利名称：一种带隙可调的二氧化钛/氮化钛复合薄膜的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体能带工程技术领域，特别涉及二氧化钛光催化剂带隙调节的方法。
背景技术：
能源和环境问题是困扰人类发展亟待解决的两个重大问题。二氧化钛作为一种半导体光催化剂具有无毒、价廉、高效、选择性低、无二次污染的优点，其在环境污染物降解， 光分解水制氢等领域有广泛的应用前景。二氧化钛具有较大禁带宽度锐钛矿相为3. &V，金红石相为3. OeV，相当于只能利用只占太阳光中10%不到的388nm和414nm波长以下的紫外光，严重的限制了对太阳光的利用率，如何调控二氧化钛禁带宽度，提高光谱响应，是二氧化钛半导体光催化技术研究的中心问题，也是二氧化钛实用化过程中必须解决的关键问题。利用金属阳离子、非金属阴离子掺杂，阴阳离子共掺杂和多层膜的复合可以对二氧化钛薄膜进行带隙调控，但是存在调整范围较窄，可控性不高的问题。氮化钛、二氧化钛复合薄膜的制备可以在较大范围内对二氧化钛带隙进行可控调整。
发明内容
本发明的目的是提供一种带隙可调的二氧化钛/氮化钛复合薄膜的制备方法。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是使用磁控溅射镀膜机，采用氮化钛作为靶材，用射频磁控溅射法在基片上沉积，制得均勻的薄膜氮化钛薄膜，将制备好的氮化钛薄膜在空气条件下选取不同温度和不同时间进行退火处理，即可得到带隙可调的氮化钛、二氧化钛复合薄膜。所制的复合薄膜的带隙宽度从1. 5 3. 3eV带隙可调。为了说明本发明的技术方案，本发明方法的实施包括以下步骤a.用射频磁控溅射法在基片上沉积氮化钛薄膜；b.将制备好的氮化钛薄膜在空气条件下，在47 97 退火IOmin 180min， 得到二氧化钛/氮化钛复合薄膜。步骤a的具体步骤如下(1)对硅基底或石英基底进行预处理；(2)将预处理过的基底固定在磁控溅射镀膜机的样品台上；(3)采用氮化钛为靶材，将磁控溅射镀膜机腔室抽真空至压强为6X KT4Pa以下；(4)通入氩气和氮气，保持工作气压0. 8 4Pa，优选1. OPa ；(5)在样品台的基底上生长200 IOOOnm厚的氮化钛薄膜，优选厚度SOOnm ；步骤(1)所述预处理的方法为用丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗，并晾干。步骤(3)中压强通常为O 6) X 10_4Pa。步骤⑷中氮气的体积分数为3 20%。步骤(5)中样品台静止或以0. 1 0. 6rpm的速率旋转。
溅射前要调整靶材与样品台的角度，使二者正对，靶材和样品台距离保持6 15cm0步骤(5)中溅射时样品台的温度为273 371。步骤b中退火温度优选621。一定温度下，带隙随着退火时间缩短而减小；一定时间下，带隙随着退火温度降低而减小。本发明的有益效果是通过对氮化钛薄膜在空气中不同温度和时间下进行退火处理，可以得到不同光学带隙的氮化钛、二氧化钛复合薄膜，复合薄膜在特定退火温度和时间处理过程表现出了良好的带隙可控调整特性，从而有有利于增强复合薄膜对可见光的响应，提高可见光的利用率。该方法简单、快速、成本低、可调控性好。在表面自清洁材料、可见光条件下催化分解水制备氢气和降解有害有机物的能源和环境领域有着良好的应用前景。
具体实施例方式本发明是利用射频磁控溅射镀膜的方法，在硅基底或石英基底上沉积氮化钛，并将制备的薄膜在空气中不同温度和时间进行退火处理，就可得到带隙可调的氮化钛、氧化钛复合薄膜。下面将以实施例对本发明予以具体说明。下述实施例是说明性的，不是限定性的， 不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。实施例1(1)将硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干；(2)将预处理过的基底固定在磁控溅射的样品台上；(3)采用氮化钛为靶材，将磁控溅射镀膜机腔室抽至2 X IO-4Pa的高真空；(4)通入氩气和氮气，保持工作气压1. OPa，其中氮气的体积分数为10% ；(5)调整靶材与样品台的角度，使二者正对，靶材和样品台距离保持10cm，并使样品台以0. 2rpm的速率旋转，样品台的温度保持在331，在样品台的基底上生长SOOnm厚的氮化钛薄膜；(6)将制备好的氮化钛薄膜在621温度下在空气氛围中退火60min，然后从退火炉中移出并降至室温，得到二氧化钛/氮化钛复合薄膜，带隙宽度Eg = 2. 7eV。实施例2(1)将硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干；(2)将预处理过的基底固定在磁控溅射的样品台上；(3)采用氮化钛为靶材，将磁控溅射镀膜机腔室抽至2 X IO-4Pa的高真空；(4)通入氩气和氮气，保持工作气压1. OPa，其中氮气的体积分数为10% ；(5)调整靶材与样品台的角度，使二者正对，靶材和样品台距离保持10cm，并使样品台以0. 2rpm的速率旋转，样品台的温度保持在331，在样品台的基底上生长SOOnm厚的氮化钛薄膜；(6)将制备好的氮化钛薄膜在空气氛围下，621温度下退火45min，得到氮化钛和二氧化钛的复合薄膜，带隙宽度Eg = 2. 4eV0实施例3
(1)将硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干；(2)将预处理过的基底固定在磁控溅射的样品台上；(3)采用氮化钛为靶材，将磁控溅射镀膜机腔室抽至2 X IO-4Pa的高真空；(4)通入氩气和氮气，保持工作气压1. OPa，其中氮气的体积分数为10% ；(5)调整靶材与样品台的角度，使二者正对，靶材和样品台距离保持10cm，并使样品台以0. 2rpm的速率旋转，样品台的温度保持在331，在样品台的基底上生长SOOnm厚的氮化钛薄膜；(6)将制备好的氮化钛薄膜在空气条件下，在温度621退火15min，得到氮化钛和二氧化钛的复合薄膜，带隙宽度Eg = 2. OeV0实施例4(1)将石英基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干；(2)将预处理过的基底固定在磁控溅射的样品台上；(3)采用氮化钛为靶材，将磁控溅射镀膜机腔室抽至5X 10_4Pa的高真空；(4)通入氩气和氮气，保持工作气压2Pa，其中氮气的分压为0. 06Pa ；(5)调整靶材与样品台的角度，使二者正对，靶材和样品台距离保持7cm，样品台静止，样品台的温度保持在271与371之间，在样品台的基底上生长300nm厚的氮化钛薄膜；(6)将制备好的氮化钛薄膜在500K的温度下，在空气氛围中退火150min，得到氮化钛和二氧化钛的复合薄膜，带隙宽度Eg = 3. OeV0实施例5(1)将硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干；(2)将预处理过的基底固定在磁控溅射的样品台上；(3)采用氮化钛为靶材，将磁控溅射镀膜机腔室抽至3 X IO-4Pa的高真空；(4)通入氩气和氮气，保持工作气压3. OPa，氮气的分压为0. 6Pa ；(5)调整靶材与样品台的角度，使二者正对，靶材和样品台距离保持13cm，并使样品台以0. 5rpm的速率旋转，样品台的温度保持在271和371之间，在样品台的基底上生长600nm厚的氮化钛薄膜；(6)将制备好的氮化钛薄膜在空气条件下，900K温度下退火30min，得到氮化钛和
二氧化钛的复合薄膜，带隙宽度Eg = 2. SeV0
权利要求
1.一种带隙可调的二氧化钛/氮化钛复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤a.用射频磁控溅射法在基片上沉积氮化钛薄膜；b.将制备好的氮化钛薄膜在空气条件下，在471 971退火IOmin 180min，得到二氧化钛/氮化钛复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a的具体步骤如下(1)对硅基底或石英基底进行预处理；(2)将预处理过的基底固定在磁控溅射镀膜机的样品台上；(3)采用氮化钛为靶材，将磁控溅射镀膜机腔室抽真空至压强为eXlO—Va以下；(4)通入氩气和氮气，保持工作气压0.8 4Pa ；(5)在样品台的基底上生长200 IOOOnm厚的氮化钛薄膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于退火温度为621。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(3)中压强为O 6)X10_4Pa。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(5)中样品台静止或以0.1 0. 6rpm 的速率旋转。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于溅射前要调整靶材与样品台的角度，使二者正对，靶材和样品台距离保持6 15cm。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(5)中溅射时样品台的温度为273 373Κ0
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(4)中氮气的体积分数为3 20%。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(1)所述预处理的方法为用丙酮、 酒精和去离子水依次超声清洗并晾干。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤( 中氮化钛薄膜的厚度为800nm。
全文摘要
本发明公开了属于半导体能带工程领域的带隙可调的二氧化钛/氮化钛复合薄膜制备的一种方法。该方法采用射频磁控溅射的方法在基底上沉积氮化钛薄膜，将这种薄膜在空气下不同温度和时间下退火处理，可以得到不同光学带隙的复合薄膜。复合薄膜在特定退火温度和时间处理过程表现出了良好的带隙可控调整特性，该制备方法简单，快速，成本低，可控性较强，在表面自清洁材料、可见光条件下催化分解水制备氢气和降解有害有机物的能源和环境领域有着良好的应用前景。
文档编号C23C14/06GK102534531SQ20121000643
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者张政军, 谢拯 申请人:清华大学