一种铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，步骤为：第一步，磁控预溅射：采用磁控溅射法和双靶共溅射工艺，Ar气真空环境下，在洁净的衬底材料上，采用Ti和Cu靶进行预溅射；Cu靶与Ti靶的角度为60°～90°；第二步，磁控溅射：预溅射后，通入氧气和氮气的混合气体，真空下，控制Ti靶溅射功率为150W～250W，Cu靶溅射功率为20～50W，起辉后控制溅射气压为0.4～0.8Pa，开始磁控溅射；第三步，沉积薄膜；第四步，薄膜沉积后退火：在氧气和氮气的混合气氛中退火。能较精准控制金属掺杂量，并显著拓宽薄膜的光吸收范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及二氧化钛薄膜的制备，特别涉及一种铜(Cu)修饰氮(N)掺杂二氧化钛薄膜的制备方法。
技术介绍
以二氧化钛(TiO2)为代表的光催化材料，在光照下被激发产生的电子-空穴对具有很高的氧化还原能力，在光催化降解有机污染物中由于具有能耗低、反应条件温和、可减少二次污染等优点，得到人们的广泛关注。但TiO2在应用中存在重要缺陷：由于其带隙较宽，仅对波长较短的紫外光区产生响应，即，仅能利用约5％的太阳光能。如何提高TiO2对可见光的利用已成为目前TiO2光催化领域最重要的研究课题之一。为了实现TiO2可利用太阳光能进行光催化处理，必须对其进行改性，主要采用贵金属修饰、金属掺杂、非金属掺杂等方法。贵金属主要包括Pt、Ag、Pd等贵金属元素，其成本较高；非金属掺杂主要包括C、N、F等元素。过渡金属元素来源广泛，廉价无毒，但目前采用磁控溅射法制备过渡金属掺杂二氧化钛薄膜，通常采用的是拼靶工艺，即在Ti靶上放置金属片，通过控制金属片的面积来控制金属掺杂含量。此种方法制备的薄膜难以精准控制金属的掺杂量，且薄膜不均匀。以前的研究表明，掺杂的过渡金属元素量需控制在1.5at.％以内，才能对薄膜的可见光催化活性起到有益作用，过高的掺杂量反而会降低其活性。
技术实现思路
本专利技术公开了一种铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，能较精准控制金属掺杂量，并显著拓宽薄膜的光吸收范围。本专利技术公开了一种铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，步骤为：第一步，磁控预溅射：采用磁控溅射法和双靶共溅射工艺，Ar气真空环境下，在洁净的衬底材料上，采用Ti和Cu靶进行预溅射；分别调至Cu靶、Ti靶的角度为60°～90°；第二步，磁控溅射：预溅射后，通入氧气和氮气的混合气体，真空下，控制Ti靶溅射功率为150W～250W，Cu靶溅射功率为20～50W，起辉后控制溅射气压为0.4～0.8Pa，开始磁控溅射；第三步，沉积薄膜：使衬底自转，控制自转速度，调节挡板与衬底位置，开始在衬底上沉积薄膜；第四步，薄膜沉积后退火：在氧气和氮气的混合气氛中退火。所述的衬底材料为玻璃。预溅射和磁控溅射时，Ti靶连接脉冲直流电源，Cu靶连接射频电源。磁控溅射时，氧气和氮气按体积比10～20:90～80混合。预溅射和磁控溅射在开始时，溅射室内气压均为3～5Pa。预溅射时，Ti靶和Cu靶的功率均分别为150W～250W，起辉后，溅射气压为0.4～0.8Pa。退火温度为300～500℃、气氛体积比O2:N2＝10～20:90～80条件下，保温20～60min。溅射时，衬底温度为150～300℃。自转速率为20～40r/min，薄膜沉积时间控制在50～90min。所述的铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法得到的薄膜，掺铜量0.5～1.5At.％、掺氮量4.0～12.0At.％、具有可见光响应，光吸收边位置440nm～580nm。有益效果：(1)采用磁控溅射法和双靶共溅射工艺在玻璃衬底上沉积的铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜，通过改变溅射靶的角度和溅射功率以及氮氧流量比，能较精准的控制铜元素和氮元素在薄膜内的含量。(2)制取工艺简单易控制，磁控溅射法是目前工业化生产薄膜的主流工艺方法；(3)氮元素、铜元素来源广泛，成本低，反应产物无毒，对环境无污染，便于大规模生产；(4)N、Cu的耦合作用能够显著提高TiO2对可见光的吸收并提高其可见光催化活性；获得的铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜，可见光响应范围从375nm拓宽至440nm～580nm。附图说明图1铜氮共掺杂二氧化钛薄膜的紫外-可见光吸收光谱。具体实施方式下面通过具体实施例来说明本专利技术。一种铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜，包括以下几个步骤：A.清洗衬底材料，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪进样室内；B.安装Ti靶(纯度≥99.99％)和Cu靶(纯度≥99.99％)，分别调整Cu靶与Ti靶的角度60°～90°，Ti靶连接脉冲直流电源，Cu靶连接射频电源。C.将进样室和溅射室抽真空至6×10-4Pa以下，将样品从进样室送入真空室，通入Ar，控制气压在3～5Pa，打开脉冲直流电源和射频电源，控制Ti靶溅射功率为150W～250W，Cu靶溅射功率为150W～250W，起辉后，控制溅射气压为0.4～0.8Pa，对靶材进行10～20min的预溅射，并调节衬底加热温度为150～300℃；D.预溅射后，关闭直流脉冲电源和射频电源，按一定体积比(O2:N2＝(10～20):(90～80))通入O2(纯度≥99.99％)和N2(纯度≥99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压为3～5Pa，打开脉冲直流电源和射频电源，控制Ti靶溅射功率为150W～250W，Cu靶溅射功率为20～50W，起辉后控制溅射气压为0.4～0.8Pa；E.打开样品台自转电机，调节自转速率为20～40r/min，调节挡板与样品台位置，开始在衬底上沉积薄膜，薄膜沉积时间控制在50～90min；F.薄膜沉积后退火：在温度300～500℃、气氛(O2:N2＝(10～20):(90～80))条件下，保温20～60min；即可得到掺铜量0.5～1.5At.％、掺氮量4.0～12.0At.％、具有可见光响应(光吸收边位置440nm～580nm)、性能稳定的铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜。实施例11)清洗衬底材料，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪进样室内；2)安装Ti靶(纯度≥99.99％)和Cu靶(纯度≥99.99％)，调整Cu靶的角度为60°，调整Ti靶的角度为90°，Ti靶连接脉冲直流电源，Cu靶连接射频电源；3)将进样室和溅射室抽真空至6×10-4Pa以下，将样品从进样室送入真空室，通入Ar，控制气压在3～5Pa，打开脉冲直流电源和射频电源，控制Ti靶溅射功率为200W，Cu靶溅射功率为200W，起辉后，控制溅射气压为0.5Pa，对靶材进行10～20min的预溅射，并调节衬底加热温度为150℃；4)预溅射后，关闭直流脉冲电源和射频电源，按一定体积比(O2:N2＝10:90)通入O2(纯度≥99.99％)和N2(纯度≥99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压为5Pa，打开脉冲直流电源电源和射频电源，控制Ti靶溅射功率为200W，Cu靶溅射功率为50W，起辉后控制溅射气压为0.4Pa；5)打开样品台自转电机，调节自转速率为30r/min，调节挡板与样品台位置，<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，步骤为：第一步，磁控预溅射：采用磁控溅射法和双靶共溅射工艺，Ar气真空环境下，在洁净的衬底材料上，采用Ti和Cu靶进行预溅射；分别调整Cu靶、Ti靶的角度为60°～90°；第二步，磁控溅射：预溅射后，通入氧气和氮气的混合气体，真空下，控制Ti靶溅射功率为150W～250W，Cu靶溅射功率为20～50W，起辉后控制溅射气压为0.4～0.8Pa，开始磁控溅射；第三步，沉积薄膜：使衬底自转，控制自转速度，调节挡板与衬底位置，开始在衬底上沉积薄膜；第四步，薄膜沉积后退火：在氧气和氮气的混合气氛中退火。

【技术特征摘要】
1.一种铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，步骤为：
第一步，磁控预溅射：采用磁控溅射法和双靶共溅射工艺，Ar气真空环境下，
在洁净的衬底材料上，采用Ti和Cu靶进行预溅射；分别调整Cu靶、Ti靶
的角度为60°～90°；
第二步，磁控溅射：预溅射后，通入氧气和氮气的混合气体，真空下，控制
Ti靶溅射功率为150W～250W，Cu靶溅射功率为20～50W，起辉后控制溅射
气压为0.4～0.8Pa，开始磁控溅射；
第三步，沉积薄膜：使衬底自转，控制自转速度，调节挡板与衬底位置，开
始在衬底上沉积薄膜；
第四步，薄膜沉积后退火：在氧气和氮气的混合气氛中退火。
2.如权利要求1所述的铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所
述的衬底材料为玻璃。
3.如权利要求1所述的铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，预
溅射和磁控溅射时，Ti靶连接脉冲直流电源，Cu靶连接射频电源。
4.如权利要求1所述的铜修饰氮掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，磁
控溅射时，氧气和氮气按体积比10～20:90～80混合。...

【专利技术属性】
技术研发人员：方峰，张夜雨，陈海洋，张旭海，周雪峰，蒋建清，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32