溶膠
——凝膠法制備二氧化鈦薄膜及其光學(xué)性質(zhì)研究

周歧剛

（樂山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川 樂山 614004）

二氧化鈦是一種兩性氧化物，大多數(shù)呈現(xiàn)白色固體或粉末狀，它具有不透明性，無毒性及高白性，熔點(diǎn)也很高，這些性質(zhì)讓它生活生產(chǎn)上擁有很強(qiáng)的實(shí)用性[1]。熔點(diǎn)高使二氧化鈦可以用來制造耐火玻璃、陶瓷以及耐高溫的實(shí)驗(yàn)器皿等，而且二氧化鈦在光催化、太陽能利用、光轉(zhuǎn)換行業(yè)等方面也具有很廣泛的應(yīng)用。由于二氧化鈦在太陽能電池、環(huán)境保護(hù)方面有非常重要的作用，人們對二氧化鈦薄膜也進(jìn)行了廣泛的研究，以期獲得更加優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能[2]。本實(shí)驗(yàn)研究了二氧化鈦薄膜的溶膠-凝膠法制備工藝以及鋅摻雜對其結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1 TiO2薄膜的實(shí)驗(yàn)制備

目前，國內(nèi)常用的二氧化鈦薄膜制備方法很多，如：磁控濺射法、分子束外延、脈沖激光沉積法、化學(xué)氣相沉積法以及溶膠凝膠法。溶膠－凝膠法就是在液相下將原料均勻混合，使其產(chǎn)生水解，發(fā)生縮合、聚合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中構(gòu)成穩(wěn)定的透明溶膠體系，經(jīng)過長時間的陳化，凝膠網(wǎng)絡(luò)間的溶劑失去了流動性，凝膠就由此而成。在本文實(shí)驗(yàn)過程中加入了螯合劑，螯合劑的作用是使所配置的溶膠穩(wěn)定可以減少發(fā)生水解反應(yīng)的概率。本實(shí)驗(yàn)采用的螯合劑是乙酰丙酮，乙酰丙酮可以弱化醇鹽的水解-聚合反應(yīng)活性，致使所需物質(zhì)不會發(fā)生其它的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生其他物質(zhì)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。溶膠凝膠法與其他工藝相比具有很多獨(dú)一無二的優(yōu)點(diǎn)，如：①在形成溶膠時，反應(yīng)物可以進(jìn)行很均勻的反應(yīng)，從而可以保證所得溶膠中的物質(zhì)是均勻混合的，極大提高實(shí)驗(yàn)的成功率；②溶膠凝膠法主要是由化學(xué)反應(yīng)得到的，不需要非常高的溫度，實(shí)驗(yàn)條件極易達(dá)成。

本實(shí)驗(yàn)中采用勻膠機(jī)，通過旋涂法在石英基片上得到鋅摻雜的二氧化鈦濕膜，在500℃預(yù)處理20分鐘，再重復(fù)這種工藝步驟8次來增加薄膜厚度以及減輕薄膜開裂，預(yù)處理的薄膜達(dá)到所需要的厚度后，在700℃退火30分鐘，最后得到不同濃度鋅摻雜的二氧化鈦薄膜，分別為未摻雜的TiO2薄膜和鋅鈦比分別為1∶3、1∶2、1∶1的鋅摻雜TiO2薄膜。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 X射線衍射圖譜分析

圖1 Zn摻雜和未摻雜TiO2的X射線衍射圖譜

本實(shí)驗(yàn)通過X-射線衍射的特征峰與標(biāo)準(zhǔn)譜對比來確定所制備的薄膜的物相結(jié)構(gòu)，圖1為未摻雜以及鋅鈦比為1∶1鋅摻雜TiO2薄膜的X射線衍射圖譜。從圖1中可觀察到特征峰2=27.491、36.019和54.022°，均顯示出了金紅石相的特征峰，分別對應(yīng)（110）、（101）、（211）面。觀察到出現(xiàn)了一個銳鈦礦相的特征峰2=28.679°，說明此次實(shí)驗(yàn)制備的二氧化鈦薄膜處于從銳鈦礦相向金紅石相轉(zhuǎn)變的過程中，還沒有完全改變，所以所制備的TiO2薄膜不是純的金紅石型（經(jīng)過與空白石英基片的X射線衍射結(jié)果對比，圖1中未標(biāo)記的峰大都來自石英基片）。由圖1還可以看出，鋅摻雜的二氧化鈦薄膜與未摻雜的幾乎重合，也無新特征峰的出現(xiàn)，由此可知本實(shí)驗(yàn)鋅摻雜濃度中沒有導(dǎo)致TiO2結(jié)構(gòu)的改變。研究表明，雜質(zhì)原子可以以氧化物或離子的形式進(jìn)入到二氧化鈦的晶格中，在不顯著影響其結(jié)構(gòu)的情況下，卻可以調(diào)整材料的禁帶寬度，導(dǎo)致其電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)的改變。所以，本實(shí)驗(yàn)又測試了薄膜的透光率圖譜。

2.2 紫外-可見分光光度計測試結(jié)果

圖2為未摻雜的TiO2薄膜和鋅鈦比分別為1∶3、1∶2、1∶1的鋅摻雜TiO2薄膜的紫外-可見光透光率測試結(jié)果。

圖2 TiO2薄膜與摻雜Zn的TiO2薄膜透光率

從圖2中可以看出，四個樣品的透射率譜線在400nm～900nm之間有一定起伏，說明所制備的薄膜均勻性比較好，該波段范圍內(nèi)透光率大約在60%～90%之間變化。

四個樣品分別在350nm～550nm以及550nm～900nm之間都有兩個峰，在330nm～400nm之間存在吸收邊，小于330nm的光透射率為0（即薄膜對該波長范圍的光強(qiáng)烈吸收）。透光譜圖中，三個摻雜樣品的峰位隨著鋅摻雜量的增加規(guī)律性地向短波方向移動，這主要源于鋅摻雜改變了TiO2薄膜材料的禁帶寬度。

3 結(jié)論

本論文以鈦酸丁酯為主要原材料，以冰醋酸作為溶劑，乙酰丙酮為螯合劑，采用溶膠-凝膠法在石英基片上制備鋅摻雜的二氧化鈦薄膜。XRD和紫外-可見分光光度計透光率大小的測試結(jié)果表明，Zn摻雜基本沒有改變TiO2薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，但卻對薄膜的紫外-可見光透光率，即光吸收特性作規(guī)律性的影響。