TiO2多晶薄膜的微观表征研究

材料分析测试方法课程设计任务书

课程设计题目：TiO2多晶薄膜微观表征研究

课程设计内容：

通过查阅资料了解TiO2多晶薄膜应用及其晶体结构知识，设计方案制备TiO2多晶薄膜并运用材料分析课程所学的材料分析实验工具知识，进行材料的微观结构分析，成分分析，加深对各实验仪器原理及材料学中结构决定性能的理解。

课程设计要求：

1.针对材料分析测试课题，选择适合的测试方法、实验仪器、实验参数和试样制备方法等，设计出一套切实可行的实验方案和实验步骤，并说明选择依据和测试注意事项，运用所学的知识对实验方案进行深入分析讨论。

2.结合实验室条件，制备满足分析测试要求的样品，并上机进行实验测定，分析处理实验数据，对实验结果进行分析讨论。

3.完成四千字以上课程设计论文一篇，论文包括前言、实验方法、实验结果、结论、参考文献等项内容。

4.设计要求图文规范，严格按照学校要求的课程设计论文格式打印。

学生（签名）

2013 年1 月8 日

材料分析测试方法课程设计评语

指导教师（签名）

年月

日

目录

材料分析测试方法 ....................................... 错误!未定义书签。课程设计（论文） ....................................... 错误!未定义书签。

⏹第一章前言 0

⏹ 1.1纳米TiO2的基本结构 0

⏹ 1.2纳米TiO2的表面性质 (1)

⏹ 1.3 纳米TiO2的应用 (2)

⏹第二章实验方案 (6)

⏹ 2.1 TiO2的制备方法 (6)

⏹ 2.2实验设备 (8)

⏹ 2.3 实验方法与步骤 (9)

⏹第三章实验结果分析 (10)

⏹ 3.1 AFM图的分析 (10)

⏹ 3.2 XRD图谱分析[11] (11)

⏹ 3.3 XPS图谱分析 (13)

⏹第四章结论 (15)

⏹参考文献 (16)

前言

⏹第一章

自从1972年发现TiO2电极在紫外光照下能降解水产氢以来，TiO2

成为研究的热点。发现电极在紫外光照下能降解水产氢以来，成为研究的热点。具有高光催化活性、无毒、物理和化学稳定性好等特点，在光还原降解水和光催化氧化降解有机污染物等领域有广泛的研究。同时，具有高折射率、高介电常数和可见光透光率好等特性，越来越受到光学和电子学研究者的青睐。近年来，研究者发现在紫外光照下，具有超亲水，甚至同时具备超亲水和超亲油的特性，这些性质在表面自清洁和表面防雾等方面有重要的应用。

纳米TiO2的基本结构

⏹ 1.1

二氧化钛是金属钛的一种氧化物，其分子式是TiO2。根据其晶型。可分为板钛矿型、锐钛矿型和金红石型三种。其中锐钛矿型TiO2属于四方晶系，其晶格参a=37．85nm，Co=95．14 nm。图1-1为两种晶型单元结构图[1] ，锐钛矿型TiO2的单元结构中钛原子处于钛氧八面体的中心，其周围的六个氧原子都位于八面体的棱角处，有四个共棱边，也就是说，锐钛矿型的单一晶格有四个TiO2分子[2]。锐钛型TiO2的八面体呈明显的斜方晶型畸变，Ti—O键距离均很小且不等长，分别为1.937A和1.964A，这种不平衡使TiO2分子极性很强，强极性使TiO2表面易吸附水分子使水分子极化而形成表面羧基[3]。

图1-1 TiO2两种晶型单元结构图

图1-2

这种表面羟基的特殊结构使其表面改性成为可能，它可作为广义碱与改性剂结合，从而完成对TiO2的表面改性[4]。

纳米TiO2的表面性质

1.2

1.2.1表面超亲水性

目前的研究认为，在光照条件下，TiO2表面的超亲水性起因于其表面结构的变化；在紫外光照射下，TiO2价带电子被激发到导带，电子和空穴向TiO2表面迁移，在表面生成电子空穴对，电子与Ti 反应，空穴

则与表面桥氧离子反应，分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时，空气中的水解离作吸附在氧空位中，成为化学吸附水(表面羟基)，化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层。

1.2.2 表面羟基

相对于其它颜料的金属氧化物，TiO2中Ti一O键的极性较大，表面吸附的水因极化发生解离，容易形成羟基。这种表面羟基可提高TiO2作为吸附剂及各种载体的性能，为表面改性提供方便。

1.2.3表面馥碱性

二氧化钛(俗称钛白)用于涂料时，其表面酸碱性与涂料介质密切相关。在改性时常加入Al 、Si 等氧化物，或Si的氧化物单独存在时无明显的酸碱性，但与TiO2复合，则呈现强酸性，可以制备固体超酸。因此，加入其它金属氧化物改性时，可以形成新的酸碱点。MoO3一TiO2表面有较强的酸性，而ZnO2 一TiO2表现出明显的碱性。

纳米TiO2的应用

1.3

纳米二氧氧化钛是一种重要的无机材料，被广泛应用于涂料、化妆品、抗菌剂、污水处理等方面。下面介绍纳米二氧化钛的几种主要用途。

1.3.1 光化学作用

TiO2被认为是最有效且对环境友好的光催化剂，其光催化机理是很容易理解的，当吸收光子的能量高于TiO2的带隙时，电子可以从半导体的夹带激发引导形成电子空穴对，反应物水溶液中的水分子吸附在纳米粒子表面，然后其表面的空穴与溶解在粒子表面的水和氧化物，产生氢氧自由基，氢氧自由基有极强的氧化能力，能氧化分解水中的大部分有机物和无机物，并使之转变为二氧化碳或其他无毒无机物。

由于TiO2具有超亲水性和光催化性，使涂有TiO2薄膜的玻璃同时也具有自清洁和防雾的功能，TiO2光催化剂也可以用来杀菌和杀死癌细胞。

1.3.2 污水处理

利用TiO2的管催化机理，TiO2纳米材料已经广泛地用于光降解各种污染物，利用各种形式TiO2为催化剂的光催化反应体系，在工业污水、染料废水、农药废水、氰化物、制药废水、含油废水、有机磷化物等废水处理中，都能有效地进行光催化反应使其转变为水、二氧化碳、磷酸根离子、硝酸根离子、卤离子等无机小分子，达到完全无机化的目的，TiO2光催化降解中有机物可以充分利用太阳能，这对于节约能源、保护环境、维持生态平衡、实现可持续发展具有重大意义。光催化降解技术具有常温常压下就可进行，能彻底破坏有机物，没有二次污染且费用不太高等优点。

1.3.3 气体净化

随着工业的发展和人民生活水平的不断提高，环境污染问题已日趋严重，有害气体净化同样受到人们的重视。近年来逐渐发展起来的纳米