基于納米TiO₂薄膜的結(jié)構(gòu)及紫外可見光譜研究

周麗 張新

摘 要：本文簡(jiǎn)要闡述了TiO2納米薄膜的制作過程。實(shí)驗(yàn)以鈦酸丁酯、鹽酸以及去離子水為原料，應(yīng)用了溶膠-凝膠法與旋轉(zhuǎn)涂膜工藝。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)TiO2納米薄膜紫外線光譜進(jìn)行分析，并探討了影響二氧化鈦薄膜紫外線光譜與禁帶寬度的各類因素。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦薄膜;紫外線光譜;溶膠--凝膠法

0 引言

納米二氧化鈦?zhàn)陨砭邆涮厥獾奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)，能夠作為光物理材料與催化劑，應(yīng)用于環(huán)境污染治理中，對(duì)于清潔材料的研發(fā)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有一定研究潛力。因此，有必要對(duì)納米TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)及其紫外可見光譜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，令二氧化鈦更加廣泛的應(yīng)用于環(huán)境環(huán)保材料的制備中。

1 納米TiO2薄膜結(jié)構(gòu)研究分析

1.1 納米TiO2薄膜的制備

溶膠--凝膠法是當(dāng)前用于制備二氧化鈦的常用方法，實(shí)驗(yàn)性質(zhì)為濕式化學(xué)法，主要用于制備陶瓷、玻璃的等非有機(jī)材料。納米二氧化鈦薄膜的制備主要分為三個(gè)階段，分別為制備凝膠溶液、噴涂基底以及干燥基底。實(shí)驗(yàn)采用鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇以及去離子水，制備溶膠過程需取10mL去離子水加入1mL鹽酸，形成溶液A。令取量杯加入3mL鈦酸丁酯與8mL無(wú)水乙醇形混合溶液B，隨后將B溶液勻速滴定至A溶液中，獲得溶膠。在制備凝膠時(shí)需要應(yīng)用旋轉(zhuǎn)涂膜法，在勻膠機(jī)上固定玻璃基片，勻速旋轉(zhuǎn)25秒后可得到二氧化鈦凝膠。制備過程中還需對(duì)玻片基底進(jìn)行干燥，可以將凝膠置于電熱恒溫干燥箱內(nèi)干燥15min，再將其置于高溫爐中退火，最終得到二氧化鈦薄膜。近年來(lái)，人們不斷在傳統(tǒng)的工藝中改革創(chuàng)新，研發(fā)了破膠、回流以及重新分散等先進(jìn)技藝，進(jìn)而獲得了無(wú)異味的光催化凝膠。

1.2 對(duì)納米TiO2薄膜的測(cè)試分析

將經(jīng)過10次甩膜的二氧化鈦薄膜與配比相同的溶膠進(jìn)行熱處理，利用X衍射線對(duì)所得薄膜與粉體科學(xué)分析，可以得到相應(yīng)的衍射圖譜，觀察衍射圖譜可以找到銳鈦礦的特征衍射峰，并在對(duì)應(yīng)處可以觀測(cè)到金紅石的衍射峰。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果分析可知二氧化鈦粉末為銳鈦礦相，是一金紅石相與銳鈦礦相的混合結(jié)構(gòu)。但是二氧化鈦衍射圖呈現(xiàn)出的衍射信號(hào)較為微弱，只能觀測(cè)到某一時(shí)期的最強(qiáng)衍射高峰，由此可以推測(cè)，納米薄膜中的二氧化鈦含量較少，在相同實(shí)驗(yàn)條件之下，粉末的晶化程度高于薄膜。在測(cè)試薄膜的透視率時(shí)可以應(yīng)用日立-3010-紫外-可見分光光度計(jì)，來(lái)觀測(cè)紫外透射光譜。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，利用未覆膜的玻璃基片作為透射率基準(zhǔn)，將其與覆膜玻璃基對(duì)比可以反映二氧化鈦薄膜的透射率。

2 納米TiO2薄膜的紫外可見光譜分析

2.1 TiO2薄膜的厚度分析

二氧化鈦筆墨厚度采用三維表面輪廓儀進(jìn)行測(cè)定，射線衍射儀可以分析晶體薄膜的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過掃描電鏡可觀測(cè)二氧化鈦的表面形態(tài)。通過觀察透射光譜可以得出不同波段內(nèi)的透射率，影響此階段透射率的原因?yàn)槎趸亷чg性躍遷吸收。透射率受二氧化鈦膜厚度的影響，通過分析可得薄膜的厚度與紫外光譜透射率具有密切聯(lián)系。當(dāng)薄膜厚度變小時(shí)，紫外透射率將下降并向邊緣段波方向移動(dòng)，邊緣波長(zhǎng)的“藍(lán)移”與薄膜厚度之間不存在特定關(guān)系，但是與二氧化鈦晶粒大小有一定關(guān)聯(lián)。薄膜晶粒變小時(shí)將會(huì)產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，二氧化鈦的禁帶寬度將增大，其納米膜厚度可以也能夠紫外線光譜實(shí)現(xiàn)分析估算。當(dāng)納米模體較厚時(shí)，在紫外透射光譜中將會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，膜的厚度可以應(yīng)用干涉條紋的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)估算。除了此種方法，還可以利用光譜吸收規(guī)律計(jì)算不同膜的厚度。計(jì)算中需要應(yīng)用入射光強(qiáng)度、透射光強(qiáng)度、膜自身的吸收強(qiáng)度、膜吸收系數(shù)以及膜的厚度。膜的厚度可以由吸光強(qiáng)度與某一時(shí)段的波長(zhǎng)吸收系數(shù)來(lái)計(jì)算。

2.2 TiO2薄膜的半導(dǎo)體禁帶寬度

在二氧化鈦的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，主要存在兩種類型的光激電子躍遷，分別為直接躍遷與間接躍遷，兩種類型電子躍遷可以通過計(jì)算二氧化鈦的相對(duì)能級(jí)圖顯現(xiàn)出來(lái)，不同位置處導(dǎo)帶可以進(jìn)行低能級(jí)或高能級(jí)的躍遷。直接躍遷與間接躍遷的近代寬度可以通過紫外線光譜數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可得，膜的禁帶寬度不受溶膠陳化時(shí)間的影響。當(dāng)熱處理的溫度較低時(shí)，二氧化鈦膜的間接躍遷禁寬帶較小，熱處理會(huì)對(duì)膜的間接躍遷產(chǎn)生影響，但是對(duì)直接躍遷不產(chǎn)生影響。厚膜直接躍遷的禁帶寬和間接躍遷禁帶寬都小于薄膜，說(shuō)明膜厚度對(duì)膜的禁帶寬有影響，且膜越厚，其禁帶寬紅移就越多[1]。對(duì)于較厚的膜中，粒子表面間的相互作用比較強(qiáng)，這種作用促使二氧化鈦八面體發(fā)生畸變，導(dǎo)致厚膜的禁帶寬小于薄膜的禁帶寬。

3 結(jié)論

近年來(lái)，納米TiO2薄膜的應(yīng)用與研發(fā)受到了廣泛關(guān)注，并且經(jīng)過不斷的深入研究，二氧化鈦薄膜的應(yīng)用正在逐漸走入人們的生活。納米TiO2的制備方法并不唯一，并且其紫外可見光譜研究也成為了研究熱點(diǎn)。由于可見，未來(lái)人們將愈發(fā)重視二氧化鈦的應(yīng)用，提升我國(guó)科研技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳霞，周炳卿，松林，李力猛，郝麗媛，韓兵.納米TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)及紫外可見光譜研究[J].信息記錄材料，2009， 10（01）：26-30.