磁控溅射法沉积TiO2薄膜及其防雾性能研究

肖寒伟，任 敏，张思禹，王 潇，姜 达，商 艳，沈龙海

磁控溅射法沉积TiO2薄膜及其防雾性能研究

肖寒伟，任 敏，张思禹，王 潇，姜 达，商 艳，沈龙海

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

采用磁控溅射方法在玻璃基片上制备TiO2薄膜。应用XRD物相分析法测定薄膜的组成，通过有色液滴扩散法及水滴凝结速率和温度差的方法检测薄膜的亲水性能及防雾性能。研究结果表明:镀膜有效地阻止了液滴的扩散，促进了水雾的消散，能起到较好地防雾作用。

TiO2薄膜；磁控溅射；亲水性；防雾

二氧化钛有三种晶体结构[1-2]，分别是锐钛矿相、板钛矿相和金红石相。这些结构的共同特点是组成结构的基本单位是TiO6八面体[3]。二氧化钛具有独特的光学、电学等物理性能及优良的化学稳定性，被广泛应用于光学器件、环境保护等科学技术领域。同时它还具有特殊的超亲水性[4]，因此具有防雾和自动清理功能。运用二氧化钛纳米薄膜技术的外墙玻璃、浴室梳妆镜等装饰物品，处于潮湿环境时不会在表面凝结成不连续水滴，而会快速分散成水膜，这样不会产生光散射形成的雾，并使膜保持一定的通透性。

目前，制备纳米TiO2的方法很多，基本上可归纳为物理法和化学法。物理法包括机械粉碎法，对粉碎设备要求很高，及气象沉积法即溅射法；化学法又可分为气相法(CVD)、液相法和固相法等。本文采用物理气象沉积法中的磁控溅射法制备二氧化钛薄膜。磁控溅射法具有镀膜面积大，易于控制和附着力强的特点。该薄膜具有质量好、致密度好、与基体结合力强等优良特性。

本文研究了在普通玻璃镜片进行磁控溅射，使之表面沉积出TiO2薄膜，同时研究了磁控溅射获得的TiO2薄膜对玻璃镜片亲水和雾化等性能的影响。

1 镀膜材料和设备

实验采用JZ450多功能磁控溅射镀膜机进行镀膜；靶材直径为50.8mm，厚度为3mm,纯度为5N的钛靶材；采用玻璃基片，尺寸为70mm×40mm，厚度为2mm。磁控溅射中各项工艺参数见表1。在镀膜之前，需要用丙酮及乙醇对材料进行清油去污。

2 薄膜物相及性能检测分析

2.1 薄膜XRD分析

图1为对实验获得的薄膜进行XRD物相分析。

表1 磁控溅射工艺参数表

图1 薄膜材料的XRD图谱

从图1中看出，所得到的产物在2θ=25.2°、27.3°、37.8°、48°、53.9°、54.2°、62.9°处有明显的衍射峰，对应的晶面分别为(101)、(110)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)。说明所得产物为TiO2结构，与标准图谱(JDPDF99-0008)一致。

2.2 薄膜亲水性能及防雾性能检测

2.2.1 比较有色液滴扩散检测法

比较有色液体扩散检测法是指取等量的有色液体分别滴在普通与带防雾膜的玻璃上，然后观察有色液体的的扩散程度来检测防雾膜的亲水性(选择有色液体的原因是便于实验的观察与进行)。实验采用溶水的硫酸铜溶液进行测试，用移液枪分别抽取100mL蓝色的硫酸铜溶液，同时滴在普通玻璃片及实验获得的具有TiO2薄膜的玻璃片上，第一观察有色液体的形状，第二观察有色液体的扩散速度，第三观察有色液体的凝聚度。具体实验液滴变化见图2。

图2 液滴扩散示意图

图2中左侧为薄膜的玻璃镜片，右侧为普通的玻璃板，由图2可以看出，当硫酸铜溶液同时滴到镀有TiO2薄膜的玻璃片及普通玻璃板上时，镀膜使液滴较好的聚拢，颜色呈蓝色，表面积较小，而没有镀膜的玻璃板上的液滴，液滴接触玻璃片后迅速分散成饼状，颜色呈蓝绿色。说明镀膜有效地阻止了液滴的扩散，即镀膜的亲水性较好。

水在TiO2薄膜表面的接触角越小，薄膜的亲水性能越好。在理想状态下，设水在薄膜表面是一个球冠，测量直径可算出水滴的接触角。当水滴与薄膜的接触角很小时，即水滴直径很大时，h远小于d，故球冠的体积近似计算公式为

V=πh(3r2+h2)/6≈πhr2/2

所以h=2V/(πr2)；又因为 tan(θ/2)=h/r，所以θ=2h/r=4V(πr3)。

式中:V为球冠的体积；θ为水滴与薄膜的接触角；d为水滴与薄膜接触面的直径；r为半径；h为水滴的高度。

从上式可以看出，水滴的直径越小，水滴与薄膜的接触角越小，薄膜的亲水性越好[5]。

2.2.2 水滴凝结速率检测法

水蒸气检测法是用水蒸气在等同的时间内不同种的玻璃片，然后观察水雾散去的时间，用以检测防雾膜的亲水性。实验采用在水浴坩埚中加入同量的热水，然后将普通玻璃片及带有防雾镀膜的玻璃片同时放置在热水的上方30s左右，观察两种实验材料上面的水滴凝结情况。实验结果如图3所示。由图3可以看出，图中左侧为普通载玻片在热水上方停留30s之后，玻璃片表面整体形成水雾，在图中我们可以清晰地看到玻璃片上面的一层薄雾，且持续存在一段时间后逐渐消失，而在图3右侧的镀膜玻璃片，表面迅速凝结成一层水雾而后迅速消失，在离开热水上方，放到试验台上的瞬间，镀膜玻璃片上的水雾即消散。说明在实验用玻璃片上面的TiO2薄膜有效地促进了水雾的扩散，能起到较好地防雾作用。

图3 不镀膜玻璃与镀膜玻璃水雾消失对比图

2.2.3 实际环境检测法

利用东北冬天寒冷的天气及室内外的温度差对磁控溅射镀膜进行防雾性能检测。采用TiO2薄膜玻璃片进行不同温度转换过程中形成雾及消失速度的试验。在蒸发皿中放入几个镀膜试样，并做记号。第一组实验将蒸发皿分别放到放到-5℃及-18℃的环境中1h，将蒸发皿拿回室内，温度为21℃，观察试样表面雾化情况，实验结果如图4所示。

图4 实际环境检测实验

由图4可以看出，在-5℃和-18℃放置1h后回到室温的条件下，镀有TiO2薄膜的试样均具有较好透明度，膜面有少量水滴(见图4a及图4c)，因此具有较好的防雾性能；-18℃环境下放置1h的镀膜表面雾层面积略大于-5℃的实验条件。可见温差越大，薄膜表面雾层面积越大；将室外寒冷环境的试样放置到室温3～5s，雾层消失(见图4b及图4d)，雾层面积越小，消失越快。由室外到室内后，在薄膜表面形成的雾滴，是许多小液滴的集合，由于TiO2薄膜具有较好的亲水性能，使液滴呈球状或椭球状，因而液滴与空气的接触面积大，利于液滴的扩散，因而薄膜的防雾性能较好。

第二组实验将镀有TiO2薄膜的试样在-15℃条件下放置1h、3h、5h，然后放回室内，观察玻璃片的雾化情况及水雾的消散速度。实验结果如图5所示，由图5可以看出，随着时间的延长，由温度差引起的玻璃片雾化层面积逐渐增大，雾化层逐渐加厚，在室外放置5h的镜片，雾层基本覆盖了整个镀层表面(见图5c)。

图5 冷冻时间对膜层防雾性能的影响

3 结论

(1)通过XRD物相分析，磁控溅射在玻璃片上的薄膜，为TiO2薄膜。TiO2薄膜有较强的亲水性能，使得水滴在玻璃上的接触角小，有效阻止液滴的扩散，而且形成的水雾面积小且能够迅速消失，具有良好的防雾性能；

(2)镀有TiO2薄膜的试样在-15℃环境下放置1h、3h、5h，随着时间的延长，由温度差引起的玻璃片雾化层面积逐渐增大，雾化层逐渐加厚。但镀膜上面的液滴雾化层消散的非常快，在5～6s时间内消散完毕。明显优于普通眼镜所使用的玻璃片的防雾效果。

[1]Vainshtein B K,FridkinW M，Indenbom V L.Structure of crystal[M].Macmillan India Ltd,Berlin，1994:57.

[2]熊家林，贡长生，张克立.无机精细化学品的制备和应用[M].北京:化学工业出版社，1999:38-39.

[3]李云.纳米TiO2薄膜结构与光电特性研究[D].西安:西北工业大学，2005:18-20.

[4]常学森.基于磁控溅射法制备二氧化钛薄膜及其亲水性研究[D].沈阳:东北大学，2007:69.

[5]赵丽特，丁瑞钦.玻璃基片上磁控溅射制备纳米TiO2薄膜的亲水性能研究[J].五邑大学学报:自然科学版,2006,20(2):20-23.

(责任编辑:王子君)

Study on TiO2Thin Film Deposited by Magnetron Sputtering and Its Anti-fog Performance

XIAO Hanwei,REN Min,ZHANG Siyu,WANG Xiao,JIANG Da,SHANG Yan,SHEN Longhai

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Using magnetron sputtering method TiO2thin films on glass substrate were prepared.Application of XRD phase analysis method was developed for the determination of thin film.Besides,the method of measuring droplet condensation rate and colored liquid drop diffusion played an important role in detecting the hydrophilic property.Additionally,measuring temperature difference was used to detect the anti-fog performance of the film.It is found out that TiO2thin film effectively prevents the diffusion of liquid and promotes the diffusion of water mist when compared to the untreated materials.

TiO2film；magnetron supttering；hydrophilic；ant-fog

2015-12-30

辽宁省大学生创新创业训练项目(201410144004)

肖寒伟(1993—)，男，本科生；通讯作者:商艳(1975—)，女，副教授，研究方向:金属材料热处理及组织性能研究。

1003-1251(2017)01-0009-04

TB383

A