溶膠-凝膠法制備二氧化鈦薄膜

張玉才

（1.新疆特色藥食用植物資源化學重點實驗室；2.喀什大學化學與環境科學學院，新疆喀什844006）

溶膠-凝膠法制備二氧化鈦薄膜

張玉才1，2

（1.新疆特色藥食用植物資源化學重點實驗室；2.喀什大學化學與環境科學學院，新疆喀什844006）

隨著溶膠-凝膠技術的快速發展、應用范圍日益擴大，它在超導氧化物材料的合成中受到了廣泛的應用.利用鈦酸四丁酯作為前驅體，在醇溶液中進行醇解反應得到了二氧化鈦溶膠，不同的陳化時間對薄膜的特征沒有較大影響，薄膜的紫外吸收性能表明在波長位于200-400nm處出現了二氧化鈦的特征吸收峰.

溶膠-凝膠法；鈦酸四丁酯；薄膜

隨著激光技術的快速發展，溶膠-凝膠法制備薄膜的工藝參數、結構和性能有了不同程度的改進，在原有的基礎上制備出更具優異性能的薄膜材料[1-3].溶膠-凝膠法制備二氧化硅(SiO2)通透膜是以正硅酸乙酯為原料，在酸或堿催化的作用下，進行水解、縮聚等反應在基底上形成薄膜，這種薄膜經干燥、硬化后具有良好的防止擦除性能[4]，在形成薄膜的前后，水解反應程度和凝聚時間對溶膠的狀態和其他性能都有著不同程度的影響[5].所以，為了更好地滿足實用要求，在凝聚過程中需要準確控制溶膠的濃度、極性、p H和含水量等.

溶膠-凝膠法是濕法化學反應中的一類，它主要使用液體化學試劑或溶膠作為基本原料，不使用傳統的粉狀固體，反應物在液相中均勻地混合在一起并發生反應，最終生成穩定的溶膠體系，沒有沉淀物的生成，靜置一定時間后會轉化為凝膠[6]，在溶膠或凝膠狀態下即可定型轉變為所需的產物，最終在低于傳統冶煉溫度的范圍內制備成固態薄膜.利用溶膠-凝膠技術已制備出性能優異的SiO2、Z r02、A l2O3、SiO2-T i02和T i02等體系的分離膜[7]，使用這些無機膜可從含有C O2、N2與O2的混合氣體中分離出C O2氣體來.此外在玻璃表面上制備出的SiO2薄膜具有良好的減反射作用，可以通過控制工藝條件有效地處理薄膜的厚度，還可以制備對不同波長光具有良好透過率的薄膜.傳感膜是最近發展速度較快的一類薄膜材料，利用溶膠-凝膠技術制備出的Nb2O5、C e O2、Z n O、S n O2和S r T iO3等薄膜已廣泛應用于各類傳感器件中[8].本文利用鈦酸四丁酯作為無機基質，在鹽酸存在的條件下發生醇解反應制得了二氧化鈦溶膠，在常溫下靜置陳化后得到T iO2薄膜，并研究了它的紫外吸光度性能.

1 實驗內容

1.1 實驗儀器與藥品

F A2104N電子分析天平（河南兄弟儀器設備有限公司）、T U-1900紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）、Z F B-500電熱套（山東城華魯電熱儀器有限公司）、自制30W紫外燈、其他常見玻璃儀器；鈦酸四丁酯，乙醇，氨水，鹽酸，蒸餾水等.

1.2 實驗步驟

1.2.1 基片的準備

首先用蒸餾水將表面皿基片清洗干凈，接著用無水乙醇清洗兩遍，置于室溫下晾干，放入干燥潔凈的容器中保存備用。

1.2.2 薄膜的制備

T iO2薄膜的制備過程如圖1所示，用鈦酸四丁酯、無水乙醇和水作為基本原料，以鹽酸為催化劑.取相同體積的無水乙醇兩份，一份中加入鈦酸四丁酯，另一份中加入鹽酸溶液，在不斷攪拌的條件下，將后者溶液緩慢滴加入前者中，隨后置于室溫下攪拌反應5h，密封，室溫下靜置一定時間，利用不同的陳化時間制備溶膠.采用傾倒法將制備好的溶膠緩慢倒入清洗干凈的表面皿中，室溫下放置一段時間后可得到干燥純凈、不同陳化時間的T iO2薄膜.

2 實驗結果和討論

鈦酸四丁酯在鹽酸存在的條件下發生醇解反應制備出T iO2薄膜，從圖2中可以看出制備出的T iO2溶膠經過不同的陳化時間后，在表面皿中均形成了肉眼可見的T iO2薄膜，通過照片可以看到溶膠在不同陳化時間后形成的薄膜并沒有呈現出較大的差別，這說明陳化時間對該薄膜的形成影響不大.我們通過小刀將表面皿中的薄膜刻了下來，發現形成的薄膜較為完整，不易斷裂，并且具有一定的顏色，這可能是由于薄膜受到光照后吸收了部分能量引起的.經過一定制備條件的改進后，我們可以設法制備出較為均一尺寸的T iO2薄膜材料，這有望實現該類薄膜材料在一些工業領域中的應用.為了近一步探究該薄膜的光學性能，我們測試了其紫外可見吸收光譜，通過測試結果我們發現該薄膜在紫外光區具有一定的吸收帶，這說明T iO2薄膜具有相關的紫外吸光度。查閱相關文獻也驗證了T iO2在此區域內有一定的紫外吸光度，符合相應的實驗結果.

圖1 溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜的示意過程圖

圖2 不同陳化時間形成的TiO2薄膜的照片

3 結論

本文主要基于溶膠-凝膠法的基本原理，利用鈦酸四丁酯、無水乙醇和鹽酸等原料制備出二氧化鈦薄膜，研究了影響薄膜生成的相關因素.實驗結果表明溶膠的不同陳化時間對薄膜的特征沒有明顯影響，在一定條件下可形成尺寸均一穩定的薄膜材料.紫外吸收光譜表明二氧化鈦薄膜具有特征吸收帶，在200-400n m處出現了T iO2的特征吸收帶.

圖3 TiO2薄膜的紫外-可見吸收光譜圖

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[4]宋繼芳.溶膠-凝膠技術的研究進展[J].無機鹽工業，2005，63(1)：5-10.

[5]王娟，李晨，徐博.溶膠-凝膠技術的基本原理發展及應用現狀[J].化學工業與工程,2009，27(3)：98-101.

[6]孫繼紅,范文浩.溶膠-凝膠法制備薄膜涂層的技術與應用[J].光學技術,1999,25(4):27-28.

[7]于志偉,談國強.溶膠-凝膠法制備薄膜[D].西安：陜西科技大學,2006.

[8]劉小林,張偉清.PC-A BS高分子合金材料的熱粘塑性內時本構模型[J].光子學報,2000，29(11)：1035－1039.

責任編輯：張隆輝

TB321，O613.72

A

1672-2094（2017）01-0162-02

2016-11-17

新疆維吾爾自治區喀什大學大學生創新計劃項目（編號20160763049）.

張玉才（1989-），男，甘肅蘭州人，喀什大學助教，碩士.研究方向：功能材料的制備與研究.