一种直流磁控溅射制备光解水用钒酸铋薄膜的方法技术

本发明专利技术公开一种直流磁控溅射制备光解水用钒酸铋薄膜的方法，包括如下步骤：S1，以导电玻璃为衬底，金属铋和金属钒为靶材，在氩气和氧气的混合气氛下进行直流磁控溅射；S2，将生长的薄膜置于空气中退火，退火温度为500-600℃。本发明专利技术方法可以实现大面积单斜白钨矿型钒酸铋薄膜的制备及掺杂。用此方法制备的薄膜晶体质量高、载流子浓度和迁移率均达到不同程度提高，具有高效水裂解性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光催化薄膜材料，具体涉及一种直流磁控溅射制备光解水用钒酸铋薄膜的方法。
技术介绍
通过光电化学反应裂解水产氢是俘获和存储太阳能的一项极具前景的策略。如要实现利用太阳光光解水得到大面积应用，需要解决光解水材料本身存在的许多问题。在光解水的系统中，半导体光电极应该足够活泼，能够有效吸收绝大部分的太阳光，而且光电极材料应该在地球上储量丰富。因此许多研究小组致力于发展廉价、高效、稳定的半导体氧化物光电极材料。经研究表明，多种氧化物半导体光电极能氧化水并产生氧气。在这些氧化物中，钒酸铋引起了大家的关注，因为它是一种高效和廉价的光解水材料，有潜在的应用前景。钒酸铋有三种晶型：四方锆石相、单斜白钨矿和四方白钨矿，其中单斜白钨矿结构在光解水应用方面是最高效的一种，这是因为单斜钒酸铋的带隙约为2.4eV，在AM1.5（100mW/cm2）条件下，理论最大光电流为7.5mA/cm2（最大理论光产氢的转化效率为9.2%，接近商业化的水平）。此外，单斜钒酸铋的导带边位于可逆氢电极附近，使得它在加比较低的偏压时便可裂解水。据报道，钒酸铋在施加相对于可逆氢电极0.3V偏压时便可以氧化水，这使得它在串联结构光解水器件中与产氢光电极配对方面极具吸引力。目前，多项合成技术已被用来制备钒酸铋薄膜。最广泛使用和有效的合成方法是基于湿化学的旋涂或热分解法。通常，这些方法廉价且步骤简单，在2014年已获得较大进展。用热分解法制备的钒酸铋光电极能够获得最高3.6mA/cm2的光电流。另一类合成方法是基于气相沉积，例如反应轰击沉积法、化学气相沉积法、反应磁控溅射法。气相沉积相比湿化学法的优势是在沉积过程中可以同时控制薄膜的化学组成和形貌。在现代工业生产中，气相沉积法已被广泛用来制备大面积金属氧化物薄膜，如ITO、FTO和TiO2等。因此，气相沉积是实现高质量钒酸铋薄膜大面积制备的最佳途径。而且，气相沉积法具有其他一些潜在的优势，比如可以控制化学组成、薄膜的均一性、致密性以及与衬底的附着性。对于未掺杂的钒酸铋薄膜，在AM1.5光照条件下已报道的水氧化的光电流低于1mA/cm2（不到理论值的15%），主要是因为钒酸铋的电子传输性能很差。掺杂可有效提高材料的电子传输性能。密度泛函理论研究表明，钼元素掺杂的钒酸铋能够显示出优越的n型导电性，能够极大地提高光电化学性能，实验结果也已经证实。将钼掺入钒酸铋薄膜中可提高载流子浓度，使钒氧四面体产生扭曲，导致局域内电场。研究发现钼元素掺杂的钒酸铋薄膜性能优于钨元素掺杂的薄膜。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种直流磁控溅射制备光解水用钒酸铋薄膜的方法，用此方法制备的薄膜晶体质量高，在AM1.5光照条件下光解水电流可达到1.2mA/cm2。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：一种直流磁控溅射制备光解水用钒酸铋薄膜的方法，包括如下步骤：S1，以导电玻璃为衬底，金属铋和金属钒为靶材，在氩气和氧气的混合气氛下进行直流磁控溅射；S2，将生长的薄膜置于空气中退火，温度为500-600℃。进一步，在步骤S1中，衬底的温度为室温至350℃。进一步，在步骤S1中，混合气氛的总压力为1Pa，其中，氧气分压0.2-0.5Pa。进一步，金属铋的溅射功率为25-50瓦，金属钒的溅射功率为金属铋溅射功率的9-11倍，优选为10倍。通过调节测射功率控制薄膜生长速度。进一步，在步骤S2中，为保护导电玻璃，退火温度不易超过600℃，退火时间为2小时。一种直流磁控溅射制备光解水用钼掺杂钒酸铋薄膜的方法，包括如下步骤：S1，以导电玻璃为衬底，金属铋和金属钒为靶材，在金属铋靶材表面固定一块钼片，在氩气和氧气的混合气氛下进行直流磁控溅射；S2，将生长的薄膜置于空气中退火，温度为500-600℃。进一步，在步骤S1中，衬底的温度为室温至350℃。进一步，在步骤S1中，混合气氛的总压力为1Pa，其中，氧气分压0.2-0.5Pa。进一步，金属铋的溅射功率为25-50瓦，金属钒的溅射功率为金属铋溅射功率的9-11倍，优选为10倍。进一步，在步骤S2中，退火时间为2小时。本专利技术方法可以实现大面积单斜白钨矿型钒酸铋薄膜的制备及掺杂。用此方法制备的薄膜晶体质量高、载流子浓度和迁移率均达到不同程度提高，具有高效水裂解性能，在1.23V(相对于可逆氢电极)偏压和AM1.5条件下的光电流可以达到1.2mA/cm2。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是钒酸铋薄膜的XRD图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1（1）将FTO导电玻璃置于异丙醇中超声15分钟，再用去离子水漂洗后，然后用去离子水超声15分钟，压缩气体吹干备用。（2）将FTO导电玻璃固定在沉积腔的衬底托上，将金属钒靶和金属铋靶分别夹持固定在靶位上。（3）依次用机械泵和分子泵将沉积腔抽真空至10-4帕，然后通入氩气和氧气的混合气体，使腔内压力保持在1.0Pa，其中氧气的分压为0.2Pa。（4）将衬底加热至350℃，打开磁控溅射的直流电源，使氧和氩的等离子体加速并轰击金属靶材表面，金属原子氧化并沉积在导电玻璃衬底上，其中铋靶的溅射功率为25瓦，钒靶的溅射功率为250瓦。溅射过程持续15分钟，得到厚度为90纳米的薄膜。（5）薄膜生长结束后关闭衬底加热电源，待衬底温度低于100℃时关掉反应气体，取出衬底。（6）将生长后的薄膜置于马弗炉中，在空气中以10℃/min加热至500℃，并在该温度下保温2小时，退火结束后自然降温至室温。制备的薄膜XRD如图1所示，其晶体质量高，在1.23V(相对于可逆氢电极)偏压和AM1.5光照条件下光解水电流可达到1.2mA/cm2，载流子浓度和迁移率得到明显提高。实施例2（1）将FTO导电玻璃置于异丙醇中超声15分钟，再用去离子水漂洗后，然后用去离子水超声15分钟，压缩气体吹干备用。（2）将FTO导电玻璃固定在沉积腔的衬底托上，将金属钒靶和金属铋靶分别夹持固定在靶位上，在金属铋靶表面同时夹持一块不超过0.5mm的钼薄片。（3）依次用机械泵和分子泵将沉积腔抽真空至10-4帕，然后通入氩气和氧气的混合气体，使腔内压力保持在1.0Pa，其中氧气的分压为0.2Pa。（4）将衬底加热至350℃，打开磁控溅射的直流电源，使氧和氩的等离子体加速并轰击金属靶材表面，金属原子氧化并沉积在导电玻璃衬底上，其中铋靶的溅射功率为25瓦，钒靶的溅射功率为250瓦。溅射过程持续15分钟，得到厚度为90纳米的薄膜。（5）薄膜生长结束后关闭衬底加热电源，待衬底温度低于100℃时关掉反应气体，取出衬底。（6）将生长后的薄膜置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流磁控溅射制备光解水用钒酸铋薄膜的方法，包括如下步骤：S1，以导电玻璃为衬底，金属铋和金属钒为靶材，在氩气和氧气的混合气氛下进行直流磁控溅射；S2，将生长的薄膜置于空气中退火，退火温度为500‑600℃。

【技术特征摘要】
1.一种直流磁控溅射制备光解水用钒酸铋薄膜的方法，包括如下步骤：
S1，以导电玻璃为衬底，金属铋和金属钒为靶材，在氩气和氧气的混合气氛下进行直流磁控溅射；
S2，将生长的薄膜置于空气中退火，退火温度为500-600℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，衬底的温度为室温至350℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，混合气氛的总压力为1Pa，其中，氧气分压0.2-0.5Pa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，金属铋的溅射功率为25-50瓦，金属钒的溅射功率为金属铋溅射功率的9-11倍，优选为10倍。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，退火时间为2小时。
6.一种直流磁控溅射...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩海波，张永兴，黄涛，张永杰，向朝玉，吴芳，
申请(专利权)人：新疆中兴能源有限公司，
类型：发明
国别省市：新疆;65