自誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積制備TiO2納米線的研究.pdf

1、二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N寬禁帶半導(dǎo)體,具有對(duì)各類(lèi)有機(jī)污染物進(jìn)行全譜深度氧化的高包容性,而且其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,抗磨損性,低成本,無(wú)毒等特點(diǎn),因而成為最具應(yīng)用潛力的光催化劑之一。隨著納米科技的發(fā)展,二氧化鈦納米線的研究也已進(jìn)入了人們的視野。由于二氧化鈦納米線巨大的長(zhǎng)徑比,使其具有更優(yōu)異的光催化性能和親水性能。因此,二氧化鈦納米線的研究引發(fā)了國(guó)際學(xué)術(shù)界的重視。本文采用了新穎的自誘導(dǎo) APCVD方法,以 SiH4和 TiCl4為前驅(qū)體,先通過(guò)化學(xué)

2、氣相沉積法在玻璃基板上制備TiSi2薄膜,然后采用自誘導(dǎo)氧化法在TiSi2薄膜上制備了TiO2納米線。實(shí)驗(yàn)分別考察沉積溫度、沉積時(shí)間、Si/Ti摩爾比、源氣體總濃度以及保溫抽真空時(shí)間等條件對(duì)二氧化鈦納米線結(jié)構(gòu)、晶相生長(zhǎng)及性能方面的影響。研究表明:
　　(1)采用自誘導(dǎo)氧化法在TiSi2薄膜上成功地制備了稠密的單晶TiO2納米線。納米線長(zhǎng)約2μm,直徑約20-40 nm。納米線為四方晶系的金紅石相TiO2;TiO2納米線沿著[001

3、]方向生長(zhǎng)。它們是由底部向上生長(zhǎng),頂端被抬高,定義為自誘導(dǎo)生長(zhǎng)。我們?cè)诖藞?bào)道的二氧化鈦納米線自誘導(dǎo)生長(zhǎng)機(jī)制有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
　　(2)當(dāng)沉積溫度較低時(shí),TiO2成核速率較快,但是生長(zhǎng)速率較低,此時(shí)不利于TiO2晶相的生長(zhǎng)。隨著溫度的升高,TiO2晶相生長(zhǎng)速率升高,樣品中的TiO2晶相開(kāi)始有效形成,在700 oC時(shí),出現(xiàn)TiO2晶相的衍射峰。當(dāng)溫度為720 oC時(shí),硅化鈦誘導(dǎo)層表面有大量納米線生成,納米線長(zhǎng)度在1μm

4、左右,直徑20-40nm。
　　(3)當(dāng)硅化鈦沉積時(shí)間較短時(shí),硅化鈦薄膜誘導(dǎo)層表面的顆粒致密性較小,表面較粗糙,比表面積較大,氧原子與鈦原子接觸的幾率較大,易于下一步自誘導(dǎo)形成較大尺寸的納米線。當(dāng)沉積時(shí)間為90s時(shí),形成的TiSi2誘導(dǎo)層晶相含量較高且致密度適中,適宜二氧化鈦納米線的生長(zhǎng)。
　　(4)當(dāng)Si/Ti摩爾比為3時(shí),根據(jù)熱力學(xué)分析,該比例下的反應(yīng)吉布斯自由焓最小,最容易進(jìn)行,所以生成的TiSi2最多,其衍射峰強(qiáng)度也

5、最大,而且TiSi2的增多也有利于下一步自誘導(dǎo)納米線的生成,所以當(dāng)Si/Ti摩爾比為3時(shí),XRD圖譜上出現(xiàn)明顯的氧化鈦衍射峰,并且從SEM圖中可以明顯看到硅化鈦誘導(dǎo)層表面有稠密的二氧化鈦納米線。隨著Si/Ti摩爾比的進(jìn)一步提升,SiH4含量過(guò)高,TiCl4含量降低,致使TiSi2晶相含量降低,在XRD圖譜上出現(xiàn)Si的特征峰。
　　(5)增大源氣體濃度,TiSi2薄膜厚度增加,晶相含量相應(yīng)提高,衍射峰增強(qiáng),當(dāng)源氣體總濃度為2.7％時(shí)

6、,硅化鈦薄膜的晶相含量和粗糙度適中,氧原子與鈦原子接觸幾率大,表面有氧化鈦晶相出現(xiàn),并且從SEM圖中可以明顯看到硅化鈦誘導(dǎo)層表面有大量納米線生成,納米線長(zhǎng)度在1μm左右,直徑20-40nm。
　　(6)隨著保溫抽真空時(shí)間的增加,氧原子的增多,生長(zhǎng)出的納米線會(huì)吸附原子并在新的位置繼續(xù)生長(zhǎng),從而制得的納米線的長(zhǎng)度變長(zhǎng),但隨著反應(yīng)的進(jìn)行,Ti源和Si源減少,納米線的長(zhǎng)度變化不是很明顯。由實(shí)驗(yàn)得知,最適宜制備氧化鈦納米線的保溫抽真空時(shí)間為

7、120min。
　　(7)以SiH4為硅源,TiCl4為鈦源,N2為載氣,空氣為氧源,采用常壓化學(xué)氣相沉積法(APCVD)成功制備二氧化鈦納米線。當(dāng)溫度720oC,沉積時(shí)間90s,Si/Ti摩爾比為3,源氣體總濃度為2.7%,保溫抽真空時(shí)間為120min時(shí),有大量的納米線生成,納米線長(zhǎng)度約2μm左右,直徑20-40nm左右。
　　(8)生長(zhǎng)二氧化鈦納米線的表面粗糙程明顯比薄膜高,所以二氧化鈦納米線擁有非常好的親水性能,其接觸