亲水与疏水可逆转变的二氧化钛纳米薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及亲水与疏水可逆转变的二氧化钛纳米薄膜材料及其制备方法，所述制备方法包括：采用直流磁控溅射方法制备，其中靶材为纯钛靶，溅射气体为氩气和氧气，总压强为0.5～3.5Pa，氧分压为5～80%，靶材与基底的距离为7～20cm，初始基底温度为25～45℃，施加于所述靶材上的直流电源的功率为300～900W或者功率密度为3.8～11.5W/cm-2，施加于所述基底上的负偏压为0～-200V，沉积结束时基底温度在100℃以下，其中沉积时间为0.5～2小时，低温下快速生长不利于TiO2薄膜的内应力释放出来，而使得薄膜表面具有高的表面能，从而具有疏水性，又由于光敏化作用而使得薄膜表面出现超亲水现象，从而能够制备亲水与疏水可逆转变的TiO2纳米薄膜材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种T12薄膜材料及其制备方法，尤其涉及一种在低温下制备厚度为100?200nm，且具有各种晶相，表面光滑，光催化性能优越和亲水与疏水可逆转变的T12薄膜材料的方法。
技术介绍
T12具有三种同质异相结构，分别为锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，其中锐钛矿相和金红石相表现出了较好的光敏化活性。T12薄膜材料由于具有宽的能带间隙、高的折射率、高的介电常数、在可见和近红外光区有高的透过率以及在紫外光区有极好的光催化活性和光致超亲水性等性能，而被广泛的应用于自清洁玻璃、防雾玻璃、镜头、空气和水的净化设备、自消毒抗菌砖、电介质、气体传感器、减反玻璃等方面。目前，制备T12纳米薄膜材料的主要方法有物理气相沉积、电化学沉积、化学气相沉积法等。在这些方法中，物理气相沉积在工业中使用的尤为广泛，其中包括真空蒸发、溅射、离子束和外延生长等。直流磁控溅射作为溅射中相对常用、操作简单的系统之一，常应用于生产中。重要的是，直流磁控溅射能够在基底不加热的情况下获得晶态的T12薄膜，这更有利于在节能环保的条件下对高性能T12薄膜进行大规模的生产。另外，根据文献调研可知，T12薄膜在不对表面进行修饰和粗糙化处理的情况下是不具有疏水性的，即光滑表面T12薄膜的接触角是小于90°。但是，具有疏水性或超疏水性的材料也有着极为广泛的应用前景，如抗腐蚀、防水、运输溶液的管道等领域中。可想而知，如果一种材料能够随着人类的意愿控制其疏水和亲水的性质(例如光照亲水，而去光照疏水)，这将节约大量的资源消耗，省去许多繁琐的步骤，有利于降低生产成本，满足人们的生活需求。中国专利CN100465332C公开一种利用直流磁控溅射在低温下制备锐钛矿晶相二氧化钛薄膜的方法，但是其沉积速度低(低于lnm/min)或者长的沉积时间(例如长达8小时)，这样十分有利于在沉积过程中将应力给释放出去，而得到低的表面能。另外，在沉积过程中，腔室的真空度是比较低的，氧分压的比例也是比较低的，再加上漫长的沉积时间，将会导致薄膜的成分缺氧，产生氧缺陷，从而在测试水的接触角时将会有亲水性水合结构产生。因此，通过该方法只能使二氧化钛薄膜具有光致亲水性而不能实现其亲水与疏水可逆转变。
技术实现思路
鉴于以上，本专利技术的目的是利用直流磁控溅射在低温下制备具有亲水与疏水可逆转变的T12纳米薄膜材料。本专利技术的原理是在低温(< 1(TC)下快速沉积1102纳米薄膜，使得薄膜晶粒细小，内部的压应力无法释放。为了维持结构稳定，薄膜的自由能必须尽可能的低，这就有利于薄膜表面出现低的能量晶面，从而导致了薄膜的光滑表面在未被紫外光照射时呈现疏水性，接触角达到120°以上。然而，由于光敏化作用，当紫外光照射时，薄膜表面形成氧空位，其与水接触生成-OH，从而使得薄膜表面出现超亲水现象，接触角接近为0°。在此，本专利技术提供一种亲水与疏水可逆转变的T12纳米薄膜材料的制备方法，采用直流磁控溅射方法制备，其中靶材为纯钛靶，溅射气体为氩气和氧气，总压强为0.5?3.5Pa，氧分压为5?80%，靶材与基底的距离为7?20cm，初始基底温度为25?45°C，施加于所述靶材上的直流电源的功率为300?900W或者功率密度为3.8?11.5W/cm_2，施加于所述基底上的负偏压为O?-200V，沉积结束时基底温度在100°C以下，其中沉积时间为0.5?2小时，低温下快速生长不利于T12薄膜的内应力释放出来，而使得薄膜表面具有高的表面能。本专利技术采用操作较为简单的直流磁控溅射法，通过选择适当的工艺参数，在高的总压强和适当的氧分压下，高的直流电功率和适当的靶-基间距能够使溅射气体的离化率提高，沉积速率增加，从而生成晶态的T12薄膜；调整基底负偏压能够控制负离子和正离子等沉积粒子的能量，从而获得锐钛矿相、金红石相和两种晶相的混相结构，这些相在可见光区均具有较好的透过率；在低温(< 100°c)下快速生长，晶态T12薄膜拥有细小的晶粒，以致能带间隙较大，光催化效率增强；最重要的是，低温下快速生长不利于T12薄膜的内应力释放出来，而使得薄膜表面具有高的表面能，即吉布斯自由能。高的吉布斯自由能是不稳定的，为了使表面稳定，只能吸附空气中的有机污染物，如碳氢化合物，从而降低其表面能，具有一定的疏水性。另外，通过XPS数据分析表面成分为完整的化学计量比，几乎没有氧缺陷存在，从而构造其电子结构和水分子之间为疏水性水合结构。又由于光敏化作用，当紫外光照射时，薄膜表面形成氧空位，其与水接触生成-0H，从而使得薄膜表面出现超亲水现象，接触角接近为0°。因此，通过本专利技术的制备方法能够制备亲水与疏水可逆转变的T12纳米薄膜材料。较佳地，所述初始基底温度为40?45 °C。较佳地，所述总压强为I?2Pa,氧分压为10?20%。较佳地，施加于所述靶材上的直流电源的功率为600?900W或者功率密度为7.6 ?11.5ff/cm 2。较佳地，施加于所述基底上的负偏压为O?-100V。较佳地，在所述直流磁控溅射方法中，本底真空度为1.0X 10 —4Pa以下。本专利技术中，在沉积过程中无需对所述基底进行加热。从而有利于在节能环保的条件下对高性能T12薄膜进行大规模的生产。本专利技术沉积速率块，且未进行基底加热，镀膜设备、电源和靶材都极为简单，易于操作和使用，可进行大面积均匀沉积。本专利技术还提供一种通过上述制备方法制备的亲水与疏水可逆转变的T12纳米薄膜材料，所述的T12薄膜材料的表面粗糙度在5nm以下，在没有紫外光照射时呈现疏水性，其接触角为120°以上；在紫外光照射后呈现超亲水性，其接触角为接近于0° ;疏水性与亲水性之间能够可逆转变。本专利技术的T12纳米薄膜材料能够通过有无紫外光照射来控制其疏水性和亲水性，光照亲水，而去光照疏水，从而具有亲水与疏水可逆转变的性质。这将节约大量的资源消耗，省去许多繁琐的步骤，有利于降低生产成本，满足人们的生活需求。较佳地，所述薄膜材料的厚度为100?200nm。本专利技术的薄膜材料表面光滑，表面粗糙度在5nm以下，若将该薄膜沉积在粗糙的表面，能达到超疏水的性质。较佳地，所述薄膜材料的晶相包括锐钛矿相和金红石相中的至少一种。由于锐钛矿相和金红石相表现较好的光敏化活性，因此，由于光敏化作用，当紫外光照射时，薄膜表面形成氧空位，其与水接触生成-0H，从而使得薄膜表面出现超亲水现象，接触角接近为0°。较佳地，所述薄膜材料在可见光区的透过率能够达到80%以上。本专利技术的薄膜材料具有杰出的光催化活性，能够在紫外光照射下在2小时内降解80%以上的罗丹明红。本专利技术可用于大面积的自清洁玻璃，防雾玻璃，抗腐蚀材料，防水材料，以及智能微流体转换器上。【附图说明】图1为本专利技术一个示例的50cmX 50cm大面积的二氧化钛薄膜； 图2为本专利技术一个示例的二氧化钛薄膜在光照前和光照后的接触角图。【具体实施方式】以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术公开了一种采用直流磁控溅射物理气相沉积技术在低温下制备的亲水与疏水可逆转变的T12纳米薄膜材料，该薄膜能够具有各种晶相，质地均匀致密，表面光滑，与基底材料结合牢固，光催化性能好，在可见光区透过率好。本专利技术可以应用直流磁控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亲水与疏水可逆转变的TiO2纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于，采用直流磁控溅射方法制备，其中靶材为纯钛靶，溅射气体为氩气和氧气，总压强为0.5～3.5 Pa，氧分压为5～80 %，靶材与基底的距离为7～20 cm，初始基底温度为25～45 ℃，施加于所述靶材上的直流电源的功率为300～900 W或者功率密度为3.8～11.5 W/cm‑2，施加于所述基底上的负偏压为0～‑200 V，沉积结束时基底温度在100 ℃以下，其中沉积时间为0.5～2 小时，低温下快速生长不利于TiO2薄膜的内应力释放出来，而使得薄膜表面具有高的表面能。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金平实，郑建云，包山虎，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31