溶膠-凝膠法制備二氧化鈦薄膜

張玉才

（1.新疆特色藥食用植物資源化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆喀什844006）

溶膠-凝膠法制備二氧化鈦薄膜

張玉才1，2

（1.新疆特色藥食用植物資源化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆喀什844006）

隨著溶膠-凝膠技術(shù)的快速發(fā)展、應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，它在超導(dǎo)氧化物材料的合成中受到了廣泛的應(yīng)用.利用鈦酸四丁酯作為前驅(qū)體，在醇溶液中進(jìn)行醇解反應(yīng)得到了二氧化鈦溶膠，不同的陳化時(shí)間對薄膜的特征沒有較大影響，薄膜的紫外吸收性能表明在波長位于200-400nm處出現(xiàn)了二氧化鈦的特征吸收峰.

溶膠-凝膠法；鈦酸四丁酯；薄膜

隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，溶膠-凝膠法制備薄膜的工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)和性能有了不同程度的改進(jìn)，在原有的基礎(chǔ)上制備出更具優(yōu)異性能的薄膜材料[1-3].溶膠-凝膠法制備二氧化硅(SiO2)通透膜是以正硅酸乙酯為原料，在酸或堿催化的作用下，進(jìn)行水解、縮聚等反應(yīng)在基底上形成薄膜，這種薄膜經(jīng)干燥、硬化后具有良好的防止擦除性能[4]，在形成薄膜的前后，水解反應(yīng)程度和凝聚時(shí)間對溶膠的狀態(tài)和其他性能都有著不同程度的影響[5].所以，為了更好地滿足實(shí)用要求，在凝聚過程中需要準(zhǔn)確控制溶膠的濃度、極性、p H和含水量等.

溶膠-凝膠法是濕法化學(xué)反應(yīng)中的一類，它主要使用液體化學(xué)試劑或溶膠作為基本原料，不使用傳統(tǒng)的粉狀固體，反應(yīng)物在液相中均勻地混合在一起并發(fā)生反應(yīng)，最終生成穩(wěn)定的溶膠體系，沒有沉淀物的生成，靜置一定時(shí)間后會轉(zhuǎn)化為凝膠[6]，在溶膠或凝膠狀態(tài)下即可定型轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧漠a(chǎn)物，最終在低于傳統(tǒng)冶煉溫度的范圍內(nèi)制備成固態(tài)薄膜.利用溶膠-凝膠技術(shù)已制備出性能優(yōu)異的SiO2、Z r02、A l2O3、SiO2-T i02和T i02等體系的分離膜[7]，使用這些無機(jī)膜可從含有C O2、N2與O2的混合氣體中分離出C O2氣體來.此外在玻璃表面上制備出的SiO2薄膜具有良好的減反射作用，可以通過控制工藝條件有效地處理薄膜的厚度，還可以制備對不同波長光具有良好透過率的薄膜.傳感膜是最近發(fā)展速度較快的一類薄膜材料，利用溶膠-凝膠技術(shù)制備出的Nb2O5、C e O2、Z n O、S n O2和S r T iO3等薄膜已廣泛應(yīng)用于各類傳感器件中[8].本文利用鈦酸四丁酯作為無機(jī)基質(zhì)，在鹽酸存在的條件下發(fā)生醇解反應(yīng)制得了二氧化鈦溶膠，在常溫下靜置陳化后得到T iO2薄膜，并研究了它的紫外吸光度性能.

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

F A2104N電子分析天平（河南兄弟儀器設(shè)備有限公司）、T U-1900紫外-可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）、Z F B-500電熱套（山東城華魯電熱儀器有限公司）、自制30W紫外燈、其他常見玻璃儀器；鈦酸四丁酯，乙醇，氨水，鹽酸，蒸餾水等.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 基片的準(zhǔn)備

首先用蒸餾水將表面皿基片清洗干凈，接著用無水乙醇清洗兩遍，置于室溫下晾干，放入干燥潔凈的容器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 薄膜的制備

T iO2薄膜的制備過程如圖1所示，用鈦酸四丁酯、無水乙醇和水作為基本原料，以鹽酸為催化劑.取相同體積的無水乙醇兩份，一份中加入鈦酸四丁酯，另一份中加入鹽酸溶液，在不斷攪拌的條件下，將后者溶液緩慢滴加入前者中，隨后置于室溫下攪拌反應(yīng)5h，密封，室溫下靜置一定時(shí)間，利用不同的陳化時(shí)間制備溶膠.采用傾倒法將制備好的溶膠緩慢倒入清洗干凈的表面皿中，室溫下放置一段時(shí)間后可得到干燥純凈、不同陳化時(shí)間的T iO2薄膜.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

鈦酸四丁酯在鹽酸存在的條件下發(fā)生醇解反應(yīng)制備出T iO2薄膜，從圖2中可以看出制備出的T iO2溶膠經(jīng)過不同的陳化時(shí)間后，在表面皿中均形成了肉眼可見的T iO2薄膜，通過照片可以看到溶膠在不同陳化時(shí)間后形成的薄膜并沒有呈現(xiàn)出較大的差別，這說明陳化時(shí)間對該薄膜的形成影響不大.我們通過小刀將表面皿中的薄膜刻了下來，發(fā)現(xiàn)形成的薄膜較為完整，不易斷裂，并且具有一定的顏色，這可能是由于薄膜受到光照后吸收了部分能量引起的.經(jīng)過一定制備條件的改進(jìn)后，我們可以設(shè)法制備出較為均一尺寸的T iO2薄膜材料，這有望實(shí)現(xiàn)該類薄膜材料在一些工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用.為了近一步探究該薄膜的光學(xué)性能，我們測試了其紫外可見吸收光譜，通過測試結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)該薄膜在紫外光區(qū)具有一定的吸收帶，這說明T iO2薄膜具有相關(guān)的紫外吸光度。查閱相關(guān)文獻(xiàn)也驗(yàn)證了T iO2在此區(qū)域內(nèi)有一定的紫外吸光度，符合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖1 溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜的示意過程圖

圖2 不同陳化時(shí)間形成的TiO2薄膜的照片

3 結(jié)論

本文主要基于溶膠-凝膠法的基本原理，利用鈦酸四丁酯、無水乙醇和鹽酸等原料制備出二氧化鈦薄膜，研究了影響薄膜生成的相關(guān)因素.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溶膠的不同陳化時(shí)間對薄膜的特征沒有明顯影響，在一定條件下可形成尺寸均一穩(wěn)定的薄膜材料.紫外吸收光譜表明二氧化鈦薄膜具有特征吸收帶，在200-400n m處出現(xiàn)了T iO2的特征吸收帶.

圖3 TiO2薄膜的紫外-可見吸收光譜圖

[1]鄭偉濤，李曉天，王欣，等.薄膜材料與薄膜技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003:20-23.

[2]尹荔松,周歧發(fā),唐新桂.溶膠-凝膠法制備納米T iO2的凝膠過程機(jī)理[J].功能材料,1999,30(4)：407-409.

[3]沈軍,王玨,甘禮華.溶膠-凝膠法制備SiO2氣凝膠及其特性研究[J].無機(jī)材料導(dǎo)報(bào),1995,10(1):69-75.

[4]宋繼芳.溶膠-凝膠技術(shù)的研究進(jìn)展[J].無機(jī)鹽工業(yè)，2005，63(1)：5-10.

[5]王娟，李晨，徐博.溶膠-凝膠技術(shù)的基本原理發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2009，27(3)：98-101.

[6]孫繼紅,范文浩.溶膠-凝膠法制備薄膜涂層的技術(shù)與應(yīng)用[J].光學(xué)技術(shù),1999,25(4):27-28.

[7]于志偉,談國強(qiáng).溶膠-凝膠法制備薄膜[D].西安：陜西科技大學(xué),2006.

[8]劉小林,張偉清.PC-A BS高分子合金材料的熱粘塑性內(nèi)時(shí)本構(gòu)模型[J].光子學(xué)報(bào),2000，29(11)：1035－1039.

責(zé)任編輯：張隆輝

TB321，O613.72

A

1672-2094（2017）01-0162-02

2016-11-17

新疆維吾爾自治區(qū)喀什大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（編號20160763049）.

張玉才（1989-），男，甘肅蘭州人，喀什大學(xué)助教，碩士.研究方向：功能材料的制備與研究.