用于沉积光催化氧化钛层的方法技术

本发明专利技术涉及在真空室中借助高速电子束蒸发在至少一个物体上沉积光催化氧化钛层的方法，其中在真空室中产生含氧气氛，借助电子束蒸发主要含Ｔｉ成分的材料；所述沉积由等离子体辅助，其中等离子体借助在作为阴极接通电流的待蒸发材料表面上进行扩散电弧放电产生；所述涂覆速率至少为２０ｎｍ／ｓ，沉积期间的物体温度保持在１００℃－５００℃，并且氧化钛层作为晶体且主要作为锐钛矿相进行沉积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在物体上沉积光催化氧化钛层的方法。多年来已知氧化钛层的光催化作用，并且其已在工业中应用，从而赋予物体表面例如自清洁性能。在UV辐照时，光催化氧化钛在氧和水存在条件下尤其具有下面的性能，即形成OH自由基，其有助于分解有机污染物成分。在UV辐照时，氧化钛层除了分解有机成分之外还观察到其它的作用。随着氧化钛层的UV辐照增加，氧化钛层在被水润湿方面的性能也向非常亲水的表面方向改变。一方面有机成分的分解和另一方面它们由于亲水而冲蚀赋予由光催化氧化钛组成的物体表面自清洁性能。在文献中，与氧化钛层相关的术语光触媒的范围有不同描述。在一些文献中术语光触媒仅包括分解有机成分，而与之相反，其它作者还在术语光触媒下记载了亲水作用。因此，在此应当注意的是，在本专利技术范围内术语“光催化”或者“光触媒”既包括有机成分的分解也包括亲水作用。为了显示出可应用的光催化作用，不得任意构造氧化钛层。对此要求所述氧化钛层是结晶的，并且构造为锐钛矿相和/或金红石相。氧化钛层的光催化作用仍然与UV辐照不可分割地联系起来，即首先需要特定的UV辐照时间和UV辐照剂量，氧化钛层才显示出有意义的可应用的光催化作用。在UV辐照结束后，氧化钛层只可将这种作用保持一定时间(弛豫时间)。因此力争以如下方式构造光催化氧化钛层，即使得其一方面需要尽可能短的UV辐照时间以显示出光催化作用和另一方面使得其具有长的弛豫时间。还已知用于沉积光催化氧化钛层的不同方法。第一类方法包括所谓的溶胶-凝胶法(DE 19962055A1、DE 10235803A1)。在此，首先将含氧化钛成分的液体或者分散体施加到待涂覆物体上。所述液体/分散体的施加可以例如通过喷射、浸渍或者刀涂进行。接着干燥该液体层和需要时进行额外的固化。借助溶胶-凝胶方法可以获得高的涂覆速率。其缺点在于，以这种方式制备的层除了氧化钛之外还含有源自液体/分散体的其它成分。氧化钛成分的浓度损失也与沉积的氧化钛层的光催化性能受到限制相联系。另一类已知的制备光催化氧化钛层的方法类型为CVD方法。由WO 98/06675已知一种用于涂覆玻璃物体的包括三个步骤的CVD方法。在第一步骤中制备气体混合物，该气体混合物除了四氯化钛之外还含有含氧有机组分。然后将这种气体混合物加热到低于四氯化钛中的钛与有机组分中的氧化合形成氧化钛的临界温度。在涂覆室中将该气体混合物加热到超过该临界温度，由此将氧化钛沉积到待涂覆的玻璃物体上。为了沉积光催化氧化钛层还已知电磁溅射方法。与CVD方法和溶胶-凝胶方法相反，在氧化钛层的情况下利用电磁溅射方法能够实现更好的光催化性能。但是其缺点在于低的沉积速率，即低于5nm/s。所有已知的制备光催化氧化钛层的方法的共同之处在于，它们具有过低的涂覆速率和/或仅能实现具有受到限制的光催化作用的氧化钛层。因此，基于该技术问题本专利技术提供一种方法，借助该方法可以以至少20nm/s的涂覆速率沉积光催化氧化钛层。所沉积的氧化钛层应当相对于现有技术达到更优的光催化效果，更短的用以引发光催化作用所需的UV辐照时间，以及UV辐照之后更长的光催化作用弛豫时间。所述技术问题通过具有权利要求1的特征的主题得以解决。本专利技术的其它有利实施方案由从属权利要求给出。根据本专利技术，在真空室中借助高速电子束蒸发在至少一个物体上沉积光催化氧化钛层，其中在真空室中产生含氧气氛；借助电子束蒸发主要含Ti成分的材料；所述沉积由等离子体辅助，其中所述等离子体借助在作为阴极接通电流的待蒸发材料表面上进行扩散电弧放电产生；涂覆速率为至少20nm/s；沉积期间的物体温度保持在100℃-500℃，并且氧化钛层以晶体形式且主要作为锐钛矿相进行沉积。在本专利技术范围内，光催化氧化钛层不仅理解为纯的氧化钛层，而且也理解为具有掺杂元素的氧化钛层。可以用本专利技术的方法涂覆的物体例如由玻璃(建筑玻璃板、显示器)，金属(屋面元件(Fassadenelement)，带形或者板形的半成品)、陶瓷(地砖、瓷砖)或者塑料(塑料玻璃(Kunstoffverglasung)、膜)构成。但是，待涂覆的物体也可以由其它材料组成并具有由至少一个上面示例性提及的材料组成的表面层。本专利技术方法的基本步骤是借助扩散电弧放电产生等离子体。由此使得Ti蒸发材料表面上产生的高能电子束以下面方式快速和高频地周期性偏转，即使得至少一部分待蒸发的Ti材料的表面在一定程度上被均匀加热并最后被蒸发。同时，待蒸发的Ti材料(其例如位于坩锅中)作为强电流电弧放电的阴极接通电流。其形成了所谓的扩散电弧，该电弧基本上在被电子束加热的蒸发材料的表面区域内燃烧。与冷阴极电弧放电(其中即使用特别高的电流密度仍不能一次形成1mm2大的底点(fuβpunkt)相比，扩散电弧放电具有在蒸发物体上的发散和平面状的延伸，这基本上对应于在一定程度上被均匀加热的蒸发物体表面。由此所产生的Ti金属蒸气的主体部分被离子化并由此达到总体上的高离子化程度，这有助于形成相对于现有技术具有改善的性能的光催化氧化钛层。使用扩散电弧放电具有额外的优点，即不发射出溅沫(Spritzer)并由此特别适用于大面积等离子体激活的蒸发。同样有利的是以下面方式向真空室中引入氧，即使得沉积化学计量的氧化钛层，这是因为这种层具有高浓度的锐钛矿和/或金红石结晶相。对此合适的真空室内氧分压为5×10-4毫巴至1×10-2毫巴。在另一实施方案中氧化钛层的沉积优选在200℃-300℃的物体温度下进行，这是因为在该温度下氧化钛层主要作为锐钛矿相进行沉积。在待沉积物体上设置50V-300V的负偏压(通过该负偏压使得离子化的Ti蒸气粒子或者氧粒子被加速到物体表面)也对氧化钛层的层性能例如厚度、折射率和化学稳定性起到有利作用。这种负偏压颗粒可例如相对于其中装有待蒸发的Ti材料的坩锅或者相对于阳极接通。作为偏压可以在待涂覆物体上设置直流电压或者中频或高频脉冲电压。使用脉冲偏压对该工艺过程的稳定性起特别有利的作用。为了获得最小程度的等离子体激活，产生了至少100A的流向蒸发材料表面的扩散电弧放电的电弧电流。在沉积光催化氧化钛层期间，例如借助电磁溅射可获得约5nm/s的最大沉积速率，而本专利技术方法使得数百nm/s的沉积速率成为可能。在30nm/s-120nm/s的沉积速率和10nm-1μm，优选20nm-100nm的层厚条件下获得了非常好的层性能。在涂覆基材(例如玻璃)时，来自基材的元素可以扩散到氧化钛层中，以致以这种方式改变了氧化钛层，使得氧化钛层的光催化性能受到不利影响。因此，在另一个实施方案中，在待涂覆物体和其上待施加的氧化钛层之间沉积了至少一层额外的层，该层用作扩散阻隔层。以这种方式可以有效地阻止来自基材的元素(例如在玻璃基材情况下的钙)扩散到氧化钛层中。这种起扩散阻隔层作用的层有利地由SiO2组成并具有10nm-200nm的层厚。下面参照优选实施方案更详细地阐述本专利技术。唯一的附图示意性示出了一种装置，本专利技术方法可以用该装置进行实施。在真空室1中设置有蒸发坩锅2，在蒸发坩锅2中蒸发作为蒸发材料3的钛。与该真空室1相连接的是产生电子束5的高功率轴向电子束炮4，所述电子束5通过未示出的电磁偏转装置被偏转到放置在蒸发坩锅2中的蒸发材料3的表面，并由此加热和最终蒸发蒸发材料3。在蒸本文档来自技高网...

【技术保护点】
在真空室（１）中借助高速电子束蒸发在至少一个物体（８）上沉积光催化氧化钛层的方法，其特征在于，　　　　－在真空室（１）中产生含氧气氛；　　　　－借助电子束（５）蒸发主要含Ｔｉ成分的材料（３）；　　　　－所述沉积由等离子体辅助，其中等离子体借助在作为阴极接通电流的待蒸发材料（３）表面上的扩散电弧放电产生；　　　　－涂覆速率至少为２０ｎｍ／ｓ；　　　　－沉积期间的物体温度保持在１００℃－５００℃，并且　　　　－氧化钛层以晶体形式且主要作为锐钛矿相进行沉积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B舍费尔，C默特兹纳，O兹威特兹基，V基尔克霍夫，T莫德斯，
申请(专利权)人：弗劳恩霍弗实用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：DE[德国]