氧化钛薄膜制备的研究

张静

摘 要 采用溶胶-凝胶法和旋涂工艺，以钛酸丁酯、冰乙酸、乙酰丙酮、无水乙醇、去离子水为原料，制得TiO2薄膜。获得均匀连续TiO2薄膜的工艺参数为：匀胶转速为3000 r/min；镀膜时预处理温度为80℃、预处理时间为10min。

关键词 溶胶-凝胶 TiO2 热处理

中图分类号：TQ0 文献标识码：A

自1972年Fujishima等人发现受辐射的TiO2表面能发生水的持续氧化还原反应，以TiO2为代表的光催化材料得到广泛的研究。但粉末状的TiO2光催化剂存在易失活、难回收等缺点，其应用受到限制，由此TiO2光催化薄膜得以发展。采用不同的工艺方法，如液相制备方法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法等制备的二氧化钛薄膜的成分、结构、取向和厚度等均有所差异。溶胶-凝胶法的生产成本低，镀膜所需温度也较低，是目前常用的TiO2薄膜制备方法之一，主要以Ti（OR）4为原料，在有机介质（多为乙醇）中通过水解、缩聚反应制得溶胶，然后用旋转涂覆法或者提拉法在基体上镀膜，通过干燥焙烧除去凝胶中剩余有机物和水分，即可得到TiO2薄膜。

1实验

1.1样品的制备

本实验采用溶胶-凝胶工艺，以分析纯级钛酸丁酯、冰乙酸、乙酰丙酮、无水乙醇、去离子水为原料，制得淡黄色透明的均匀溶胶。制备的溶胶PH值均在4.8-5.2的范围。理论上，钛酸丁酯完全水解时，钛与水的化学计量比为n[Ti（OR）4/ H2O]=1：4。而常见的sol-gel法制备TiO2溶胶的研究中多是采用不足量的水。本实验使水相对钛酸丁酯大大过量，促使钛酸丁酯充分水解。

图1所示为溶胶的制备工艺流程。将钛酸丁酯和2/3无水乙醇混合搅拌10分钟，缓慢滴入乙酰丙酮、冰乙酸并搅拌10分钟，滴入1/3无水乙醇和去离子水的混合液，以及适量的添加剂，搅拌一个小时得到浅黄色透明溶胶，封口放置陈化。

本实验基底材料为单晶抛光Si片。镀膜工艺流程，如图2所示。溶胶陈化48小时后在预处理过的基底材料上均匀镀膜，在适宜的温度下进行烘干预处理，取出冷却；重复镀膜和烘干处理步骤，得到需要的膜层数；在设定的温度下热处理得到TiO2薄膜。

1.2 测试与表征

将溶胶陈化、甩膜、预热处理之后，用olympus倒置式金相显微镜和日立的S-3400N型扫描电镜对薄膜的开裂情况进行记录分析。

2结果与分析

镀多层膜时，将已镀过膜的基底进行热处理，温度为80℃，时间为10分钟，镀膜层数为4层。不同匀胶转速下，薄膜的成膜性差异非常大，如表1所示。随着转速的增加，薄膜的开裂情况逐渐好转。匀胶机转速为800r/min时，经高温煅烧后薄膜严重开裂，这是由于转速过慢匀胶不均匀，烧结过程中大量内应力引起薄膜开裂。随着转速增大，匀胶的均匀程度增加，薄膜中的内应力逐渐减小，薄膜的开裂情况逐渐好转，在1500r/min时，薄膜呈大片开裂；2000r/min时薄膜只存在局部的点状、星状开裂；当匀胶机达到3000r/min及以上转速时薄膜没有开裂现象。转速过慢成膜不均匀易开裂，转速过快溶胶与基底附着变差、膜层太薄，要得到既不开裂又具有一定厚度的薄膜，匀胶机转速应为3000 r/min。

图3 薄膜显微图：（a）10℃/min，（b）5℃/min，（c）2℃/min，（d）1℃/min，（e）0.5℃/min，（f）2000倍SEM

薄膜的显微结构如图3所示，放大倍数为400倍。其中（a）为800r/min时严重开裂，图中显示的是零星的粉化膜层；（b）中的薄膜严重开裂，裂纹杂乱；（c）中裂纹较（b）中少，呈大片区域无开裂，（d）为局部开裂，图中可见星点状的裂纹；（e）中薄膜没有开裂现象。对于无开裂的薄膜用扫描电镜观察，放大2000倍，如（f），仍无开裂现象存在，说明已形成连续薄膜。

3结论

TiO2溶胶的制备应注意各组分的加入顺序以及搅拌时间，溶胶陈化48小时后进行镀膜；匀胶机转速为3000 r/min 时，得到不开裂且具有一定厚度的TiO2薄膜；镀膜时预处理温度为80℃、预处理时间为10分钟，经热处理后得到连续均匀无开裂的薄膜。