本发明专利技术属于光催化薄膜技术领域，具体为一种三层结构的掺钼TiO2光催化薄膜及其制备方法。三层结构中，底层为高浓度掺钼TiO2薄膜，中间为低浓度掺钼TiO2薄膜，顶层为纯TiO2薄膜；本发明专利技术利用多靶射频磁控共溅射技术原位制备三层结构的钼掺杂TiO2薄膜，制膜过程在真空室中一次完成，方法简便高效，适合大面积的工业化生产。本发明专利技术以钼的掺杂浓度来控制各层的费米能级，利用层与层间的费米能级差在薄膜内植入了多个可调制的内建电场，实现了高浓度掺杂半导体在可见光下大量电子-空穴对的迅速分离，最终得到在可见与紫外波段光催化性能优异的薄膜。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光催化薄膜
，具体涉及ー种三层结构的掺钥TiO2光催化薄膜及其制备方法。
技术介绍
TiO2作为ー种重要的半导体材料，具有优良的光学、电学特性，加之耐光腐蚀能力強、化学、力学性能稳定、价格低廉及对人体无毒性等优点，因而在光电化学、太阳能电池、光催化分解水制氢、光催化降解污染物、自清洁玻璃等领域有着广泛的应用前景。然而纯TiO2薄膜的光催化性能有限，且仅限于紫外光激发，因此对TiO2薄膜进行掺杂改性是提高薄膜光催化性能的一个有效方法。然而目前几乎所有的研究人员都遇到了同一个难题虽 然低掺杂浓度下的TiO2薄膜在紫外光下的光生载流子分离效率高、光催化性强，但是薄膜在可见光下的光电性能并无明显提高；高浓度掺杂能够将薄膜的吸收光谱向可见范围延展，然而过高的缺陷浓度造成的载流子复合会极大地降低TiO2薄膜的光催化性能。因此尽管掺杂了各种不同的金属材料，掺杂后的ニ氧化钛薄膜在可见光下并未展现出令人满意的光电、催化性能。为突破这ー瓶颈，必须首先解决高浓度掺杂下提高载流子分离效率这ー难题。已有研究表明[1]，外加电场可以显著抑制载流子复合，不过至今为止实验室所提供的电场多是来自于外加阳极偏压、并非来自薄膜自身，故而实用价值有限。ー些研究者采用溶胶-凝胶法制备了镍[2]、镧[3]的分层掺杂TiO2薄膜，均发现内置电场对加快载流子分离有显著作用，然而他们的方法エ序复杂，又无法精确、动态地控制各层的掺杂浓度与膜厚，结构仅限于双层薄膜，因而未充分体现出内建电场在加速载流子分离、提高薄膜光催化活性上的巨大潜能。I. H. Yu, X. J. Li, S. J. Zheng, G. Xu, Chin. J. Inorg. Chem. 22，978(2006)2.K. J. Zhang, W. Xuj X. J. Li，S. J. Zheng, G. Xuj J. H. Wang, Trans.Nonferrous Met. Soc. China 16， 1069 (2006)3.J. W. Cenj X. J. Li，Μ. X. He，S. J. Zheng, M. Z. Feng, J. Chin. RareEarth Soc. 23，668 (2005)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出ー种具有高载流子分离效率、可用于エ业生产的三层掺杂TiO2薄膜的制备方法。本专利技术的三层结构薄膜示意图如图I所示。其中，底层为高浓度掺钥TiO2薄膜，中间层为低浓度掺钥TiO2薄膜，顶层为纯TiO2薄膜。所谓高浓度掺钥TiO2薄膜，是指薄膜中Mo/Ti原子比为3% 10% ;所谓低浓度掺钥TiO2薄膜，是指薄膜中Mo/Ti原子比为0. 5% 3% ο本专利技术是利用射频磁控溅射方法来制备三层结构的掺杂TiO2光催化薄膜，三个溅射所用靶分别为高浓度钥掺杂ニ氧化钛陶瓷靶、低浓度钥掺杂ニ氧化钛陶瓷靶以及纯ニ氧化钛陶瓷靶。所制备薄膜以玻璃或金属为基板，溅射时以Ar离子轰击靶材，将高浓度掺杂层、低浓度掺杂层和未掺杂层分别依次沉积到基板上。本专利技术的制备条件如下 基板温度为20 500で。射频磁控溅射时使用氧氩混合气体，总气压为O. Γ1. O Pa，其中O2分压占总气压比为O. Γιο. 0%ο溅射功率10 50 kW/m2。本专利技术中所用靶材为ニ氧化钛陶瓷靶和掺钥ニ氧化钛陶瓷靶，其中低浓度掺钥ニ氧化钛陶瓷靶中Mo/Ti原子比O. 5 3%，高浓度掺钥ニ氧化钛陶瓷靶中Mo/Ti原子比3 10%。本专利技术方法制得的三层掺钥TiO2薄膜总厚度为200 600 nm，其中底层膜厚度5 20 nm，中间层膜厚度为100 300 nm，顶层膜厚度为100 300 nm。操作方法 1.在清洗干净的基板上沉积高浓度掺钥TiO2薄膜底层膜； 2.在底层膜上沉积低浓度掺钥TiO2薄膜中间层； 3.在中间层上沉积纯TiO2顶层膜 测试结果表明，用这种方法制备的三层结构掺钥TiO2薄膜在紫外与可见光下均具有优良的光催化性能。本专利技术方法具有エ业生产前景，エ艺稳定性好，是ー种制备高光催化性的TiO2薄膜的新方法。本专利技术利用多靶射频磁控共溅射技术原位制备三层结构的钥掺杂TiO2薄膜，制膜过程在真空室中一次完成，方法简便高效，适合大面积的エ业化生产。以钥的掺杂浓度来控制各层的费米能级，利用层与层间的费米能级差在薄膜内植入了多个可调制的内建电场，实现了高浓度掺杂半导体在可见光下大量电子-空穴对的迅速分离。与此同时，通过提高掺杂浓度，将重掺杂底层与基板间耗尽层的厚度压缩到二十纳米以下，从而显著増大了电子的隧穿通过势垒的几率，成功消除了肖特基势垒对载流子迁移的不利影响，最終得到在可见与紫外波段光催化性能优异的薄膜。附图说明图I三层掺钥TiO2薄膜的结构示意图。图2三层掺钥TiO2薄膜样品I的光催化性能。其中，(a)在可见光下的光生电流曲线，测试条件样品面积O. 5X0. 5cm2，光源为加装紫外滤光片的氙灯，波长范围为400-800nm，功率密度100 mff/cm2 ； (b)在紫外光下对亚甲基蓝染料的光降解曲线，测试条件(紫外光波长365 nm,样品表面处光强230 mff/cm2) 0对比样品为同厚度的纯TiO2薄膜。图3三层掺钥TiO2薄膜样品2的光催化性能。其中，(a)在可见光下的光生电流曲线；(b)在紫外光下对亚甲基蓝染料的光降解曲线。测试条件同图2。对比样品为同厚度的纯TiO2薄膜。图4三层掺钥TiO2薄膜样品3的光催化性能。其中，(a)在可见光下的光生电流曲线；(b)在紫外光下对亚甲基蓝染料的光降解曲线。测试条件同图2。对比样品为同厚度的纯TiO2薄膜。具体实施例方式实施例I : 基板温度为100°c。氧氩混合气体总气压为O. 5 Pa，其中O2分压占总气压比为0.3%。靶的溅射功率22 kW/m2。低浓度掺钥ニ氧化钛陶瓷靶中Mo/Ti原子比为1.5 %，高浓度掺钥ニ氧化钛陶瓷靶中Mo/Ti原子比为5%。三层掺钥TiO2薄膜总厚度为300 nm，其中底层膜厚度20 nm，中间层膜厚度为140nm,顶层膜厚度为140 nm。可见光下光电流密度及紫外灯下的样品光催化性能测试结果分别如图2(a)、图2(b)所示。 实施例2 其他条件同实施例1，将低浓度掺钥陶瓷靶中Mo/Ti原子比改为2%。可见光下光电流密度及紫外灯下的样品光催化性能测试结果分别如图3(a)、图3(b)所示。实施例3: 其他条件同实施例一，将高浓度掺钥ニ氧化钛陶瓷靶中Mo/Ti原子比改为3%。可见光下光电流密度及紫外灯下的样品光催化性能测试结果分别如图4(a)、图4(b)所示。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三层结构的掺钼TiO2光催化薄膜，其特征在于：底层为高浓度掺钼TiO2薄膜，中间层为低浓度掺钼TiO2薄膜，顶层为纯TiO2薄膜；其中，所谓高浓度掺钼TiO2薄膜，是指薄膜中Mo/Ti原子比为3%～10%；所谓低浓度掺钼TiO2薄膜，是指薄膜中Mo/Ti原子比为0.5%～3%。
【技术特征摘要】
1.一种三层结构的掺钥TiO2光催化薄膜，其特征在于底层为高浓度掺钥TiO2薄膜，中间层为低浓度掺钥TiO2薄膜，顶层为纯TiO2薄膜；其中，所谓高浓度掺钥TiO2薄膜，是指薄膜中Mo/Ti原子比为3% 10% ;所谓低浓度掺钥TiO2薄膜，是指薄膜中Mo/Ti原子比为O.5% 3%O2.一种如权利要求I所述的三层结构的掺钥TiO2光催化薄膜的制备方法，其特征在于 利用射频磁控溅射方法，以玻璃或金属为基板，采用三个溅射靶，分别为高浓度钥掺杂二氧化钛陶瓷靶、低浓度钥掺杂二氧化钛陶瓷靶以及纯二氧化钛陶瓷靶；溅射时以Ar离子轰击靶材，将高浓度掺钥TiO2薄膜、低浓度掺钥TiO2薄膜和纯T...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈杰，罗胜耘，颜秉熙，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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