一种三维TiO2晶体膜的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种三维TiO2晶体膜的制备方法，包括采用常压低温射频介质阻挡辉光放电方法，将放电气体通入介质阻挡放电等离子体反应器中，通射频交流电使所述放电气体放电产生等离子体射流，将前驱体和载气送入等离子体区进行反应并沉积在基底上，得到三维TiO2晶体膜，其特征在于，所述的沉积为内辉光沉积。本发明专利技术所得的TiO2具有大比例的{001}活性面以及{101}面，{001}面和{101}面交叉生长构成独特的三维结构，所得的二氧化钛薄膜在室温下用325nm波长的激光激发出现强烈的可见荧光。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三维TW2晶体膜的制备方法，具体涉及一种常压低温射频辉光等离子体化学气相沉积制备高反应活性三维TiA晶体膜的方法，属于薄膜材料

技术介绍
TiO2是一种优良的半导体光催化材料。该材料具有良好的化学稳定性、无毒性以及光诱导下的强氧化性等优点，在能源和环境等两大方面表现出良好的应用前景，并已经在裂解水和染料敏化太阳能电池(DSSC)方面得到了应用。在T^2裂解水制氢的过程中存在以下反应Ti02+hv—s- + h+ (TiO2 电极)(1)(对电极)(2)H2 (对电极)(3)2H20+4kv-^02+2H2 (总的反应)(4)而TiO2在DSSC上发挥的作用稍有不同太阳光透过透明导电玻璃照射在TiO2及其吸附的染料上产生光生电子和空穴，光生电子被注射到TiO2半导体的导带上通过外电路被传导至对电极，从而产生光生电流。TiO2的光催化原理如下=TiO2在紫外光辐照下会产生电子和空穴对，电子和空穴分离并迁移吸附在TiO2的表面，并和溶解氧，氢氧根离子和水作用形成具有强氧化性的超负氧离子和氢氧自由基。从而分解吸附在TiO2表面的物质。另外，TiO2的表面缺陷在光催化过程中也起到了很大的作用。锐钛矿是TiO2最常见的一种晶型，其{001}面的催化反应活性尤强，因此，制备具有大比例{001}面的锐钛矿TiO2成为目前的研究热点之一。近年来，水热法等以四氟化钛(TiF4),钛酸四异丙酯(Ti (OBu)4)等为前驱体，以氢氟酸溶液为表面形貌控制剂在液相中成功制备了具有大比例001面的单晶锐钛矿晶体。为了进一步提高TiO2光催化和光电性能并适应应用的需要，亟需制备以001面为主的具有完美表面的三维结构的TiO2单晶薄膜。该三维结构的Ti02薄膜可以直接应用到光电器件、光解水等方面。因此，如何低成本、大面积、高效率地制备该种结构的TiO2单晶薄膜成为TiO2 目前研究的一个难题。等离子体辅助化学气相沉积是目前应用比较广泛的一种制备TiO2薄膜的方法之一。等离子体提供的高密度高能量电子，较低的气体温度和足够的化学反应活性种以及能量保证了 TiO2的形成和结晶。目前大部分等离子体化学气相沉积技术是在低气压下进行的，粒子自由程大，形成的薄膜致密，难以获得外形规整、尺寸较大的单晶。大气压下等离子体化学气相沉积粒子自由程小，密度高，沉积速度快，是在各种基体上一步法低成本大面积制备无机晶体薄膜的有效方法。申请号为201010546989. 8的中国专利“一种二氧化钛立方锥晶体的制备方法”， 采用常压低温射频介质阻挡辉光放电方法制备得到具有规则立方锥形状的TW2晶体，其采用的是后辉光沉积，采用氧气为载气，前驱体和载气的摩尔比为0. 05-0. 5。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有独特的三维结构和较强荧光效应的三维TW2晶体膜的制备方法。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种三维TiO2晶体膜的制备方法，包括采用常压低温射频介质阻挡辉光放电方法，将放电气体通入介质阻挡放电等离子体反应器中，通射频交流电使所述放电气体放电产生等离子体射流，将前驱体和载气送入等离子体区进行反应并沉积在基底上，得到三维TW2晶体膜，其特征在于，所述的沉积为内辉光沉积，所述的载气为氩气或氦气，载气的流量为Ι-lOOsccm，所述的前驱体的流量均为0. Ol-Isccm0所得的三维TiA晶体膜在室温下用325 nm波长的激光激发具有肉眼可辨的可见荧光。优选地，所述的前驱体为四氯化钛或四氟化钛。优选地，所述的放电气体为氦气、氩气或氧气，流量分别为0. 1-5 SLM、0. 1-5 SLM 禾口 5_500sccmo优选地，所述的介质阻挡放电等离子体反应器为电容耦合同轴等离子体反应器、 圆柱形等离子体反应器或平行板等离子体反应器。优选地，所述的基底的材料为玻璃、石英、氧化铝陶瓷、硅片、聚酯薄膜、不锈钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚碳、聚苯胺等薄膜或无纺布。优选地，所述的介质阻挡放电等离子体反应器的阻挡介质为石英、氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯、玻璃或云母。优选地，所述的基底位于电极之间。优选地，所述的介质阻挡放电等离子体反应器的放电间隙为l-10mm。优选地，所述的射频交流电的频率为300KHz_30GHz，功率为20-500W。本专利技术的有益效果是(1)、本专利技术采用了内辉光沉积而不是后辉光沉积。内辉光沉积和后辉光沉积是根据基片放置的位置不同来命名的。内辉光沉积是指基片放在电极之间，而后辉光沉积是指基片放在等离子体射流的末端。内辉光条件下等离子体的气体温度、电子温度和密度以及电场强度都大于后辉光沉积条件；内辉光条件所含的等离子体活性种的浓度也大于后辉光， 因此内辉光更有利于制备无机半导体晶体膜。本专利技术采用了氩气或氦气作为载气而不是氧气，且采用了与以前专利技术不同的气体配比，上述沉积模式以及气体配比和载气的不同，导致一方面，制备的二氧化钛薄膜具有大比例的{001}活性面以及{101}面。{001}面和 {101}面交叉生长构成独特的三维结构。另一方面，所得的二氧化钛薄膜在室温下用325 nm 波长的激光激发出现强烈的可见荧光。(3)、本专利技术的材料来源丰富、价格低廉，适合于无机氧化物晶体的常压低温快速合成。设备简单，操作方便，能耗低，污染小，沉积速率快。制备过程中不需要催化剂或模板，制备的薄膜也不需要进行后续高温处理，即可得到三维TW2单晶薄膜。本专利技术可以在开放的大气环境下进行，因此省去了昂贵的真空系统，降低了成本，拓宽了基底材料的使用范围，增大了工业应用的可行性。(4)本专利技术有助于在各种基体上一步制备三维TiO2单晶薄膜，并能够对TiO2的形貌进行较好控制；获得的三维TiO2单晶薄膜形貌规整，结晶完整，具有良好的催化反应活性，该三维TiA单晶薄膜可以作为光催化材料应用在光通讯、光显示器等光电器件、水解制氢、染料敏化太阳能电池、气体或者液体的净化等方面。附图说明图1是电容耦合同轴等离子体反应器结构示意图加是实施例ι的三维TiA单晶薄膜扫描电子显微镜图； 图2b是实施例2的三维TiA单晶薄膜扫描电子显微镜图； 图2C是实施例3的三维TiA单晶薄膜扫描电子显微镜图； 图3a是实施例1的三维TW2单晶薄膜的光致发光照片； 图北是实施例1的三维TW2单晶薄膜的光致发光图谱； 图如是实施例2的三维TW2单晶薄膜的光致发光照片； 图4b是实施例2的三维TiA单晶薄膜的光致发光图谱； 图fe是实施例3的三维TW2单晶薄膜的光致发光照片； 图恥是实施例3的三维TiA单晶薄膜的光致发光图谱； 图6为对比例的二氧化钛立方锥晶体的扫描电子显微镜图。具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。实施例1如图1所示，为电容耦合同轴等离子体反应器结构示意图，所述的电容耦合同轴等离子体反应器包括同轴的阻挡介质内管2和阻挡介质外管4 ；阻挡介质为石英，阻挡介质内管 2和阻挡介质外管4的厚度皆为1mm。阻挡介质内管2的下端封闭，上端开口，里面装有导电粉体铜粉，阻挡介质内管2的外径为7mm。阻挡介质外管4的内径为11mm，介质阻挡放电等离子体反应器的放电间隙为2. 5mm,阻挡介质外管4的右端开口。阻挡介质外管4上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王德信，张菁，石建军，郭颖，丁可，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：