常壓等離子體無機膜的氣相沉積及特性研究.pdf

1、自從利用常壓介質(zhì)阻擋放電成功合成臭氧以來，此種放電形式在工業(yè)運用方面已經(jīng)有很多年的歷史，其它方面的運用主要包括治污、材料表面改性與處理、紫外燈光源等。 近年來，常壓介質(zhì)阻擋放電等離子在氣相沉積薄膜的運用方面逐漸興起，是繼真空等離子體氣相沉積薄膜之后很引人關注的一種制備薄膜的方法，由于不受任何真空條件的限制，能耗小，在工業(yè)應用上有著廣泛的前景。 本文闡述通過常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體化學氣相沉積方法，利用四氯化鈦作為鈦源，與

2、氬氣、氧氣體混合，在不同的反應條件下進行氣相沉積反應，制備無機TiO2納米薄膜。 在研究初期，自行設計并搭建小型靜態(tài)常壓介質(zhì)阻擋放電納米顆粒膜沉積裝置，在此基礎上，又設計研制連續(xù)式納米顆粒膜沉積裝置，作為對將來建立紡織品表面改性工業(yè)化生產(chǎn)線的初步嘗試。 本論文的工作，主要以小型靜態(tài)沉積裝置作為實驗平臺。首先，對常壓介質(zhì)阻擋放電過程進行了研究。測定并分析了其放電參量，具體包括放電頻率、電壓、電流以及放電功率，研究了介質(zhì)阻擋

3、放電發(fā)射光譜與放電參量的關系，并對電子溫度加以測量計算，便于從機理上控制放電條件，控制薄膜的沉積過程。在給定的實驗條件下，放電形貌均勻，電流—電壓波形曲線顯示了絲狀放電的特征，但未能實現(xiàn)大氣壓輝光放電。等離子體發(fā)射光譜表明放電等離子體中包含Ti2+、O、Cl-，這證明單體與載氣在放電過程中被裂解，得到了合成二氧化鈦薄膜所需的活性物種。放電功率升高后，發(fā)射光譜圖中的元素對應的峰強值增加，這說明在介質(zhì)阻擋放電等離子體中，隨著功率的增加，放電

4、細絲密度增加，電子密度與離子密度在逐漸增加。通過借助對氬氣等離子體的近似計算，得到了常壓介質(zhì)阻擋放電中的電子溫度約為0．67eV。另外，熱電偶測量還發(fā)現(xiàn)，隨著放電功率上升，反應區(qū)域的溫度也上升，約在25℃至85℃范圍內(nèi)變化。 其次，我們考察了放電功率、沉積時間、載氣流量配比、襯底偏壓、后處理溫度等因素對常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體化學氣相沉積無機薄膜的沉積速率、表面形貌、化學組成、化學結(jié)構、結(jié)晶度、光吸收特性的影響。利用自動橢圓偏振

5、測量儀測定薄膜的厚度，采取掃描電鏡（SEM）與原子力顯微鏡（AFM）觀察薄膜表面形貌，通過熱臺偏光顯微鏡（PMWHS）與X射線衍射（XRD）來觀察、表征薄膜的結(jié)晶度，利用X射線能譜（EDS）檢測薄膜化學組成以及傅立葉變換紅外光譜（FTIR）表征薄膜的化學結(jié)構，最后還利用紫外可見分光光度計分析了薄膜的光吸收特性。 以上的分析結(jié)果表明：常壓等離子體化學氣相沉積得到的薄膜是一種由眾多小顆粒（其中有納米尺度的顆粒）堆積而成的結(jié)構，并且在

6、薄膜生長過程中一部分的顆粒被包埋在其中，薄膜顆粒分布較均勻。薄膜的沉積速率隨著放電功率的增加而增加，而在放電功率保持不變時，單體氣流量越大，薄膜的沉積速率越大。放電功率的上升使得薄膜上的顆粒變得密集，類似團簇沉積，顆粒形狀由原先的球形轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則形狀。在對襯底施加偏壓后，改變了薄膜顆粒的生長方式，類似密堆積式生長，而且偏壓值升高后，顆粒之間緊密堆積的現(xiàn)象愈加明顯。 XRD測試結(jié)果表明，薄膜存在位于2θ=25．3°的衍射峰，這是

7、晶體TiO2銳鈦礦結(jié)構（101）面的衍射峰，說明常壓等離子體化學氣相沉積TiCl4可以獲得銳鈦礦結(jié)構TiO2，采用Bragg—Scherrer公式計算得到平均晶粒大小約80nm，而在后處理溫度500℃時，結(jié)晶峰變得更尖銳且強度提高，薄膜結(jié)晶度得到很大的提高。EDS檢測薄膜成分主要含Ti、O、Cl元素，紅外光譜表明膜中存在的化學鍵主要含有Ti—O、C=O，紫外-可見光吸收特性曲線表明：在大放電功率條件下，薄膜表現(xiàn)出對紫外線的較強吸收性質(zhì)。