Tio2薄膜的制备

新能源综合报告

实验题目：Tio2薄膜的制备和微细加工

学院：物理与能源学院

专业：新能源科学与工程

学号：*******

汇报人：

指导老师：***

一、预习部分（课前完成）

〔目的〕：

1、用溶胶-凝胶法制备Tio2光学薄膜。

2、学习紫外掩膜辐照光刻法制备Tio2微细图形。

3、微细图形结构及形貌分析。

〔内容〕

1、了解溶胶凝胶制备薄膜的原理。

2、了解常见的微细加工的方法。

3、充分调研文献资料，确定实验方案。

4、实验制备和数据分析。

①、制备出感光性的Tio2薄膜凝胶，掌握制备工艺。

②、对Tio2凝胶薄膜进行紫外掩膜辐照。

③、制备出Tio2微细图形并进行热处理。

④、测试Tio2微细图形的结构和形貌特征，处理并分析数据。〔仪器〕：(名称、规格或型号)

紫外点光源、马沸炉、提拉机、光学显微镜、磁力搅拌器、紫外可见光分光光度计、提供制备Tio2材料的前驱物，溶剂等。

二、实验原理

1、Tio2的基本性质

Tio2俗称太白粉，它主要有两种结晶形态：锐钛型和金红石型，其中锐钛型二氧化碳活性比金红石型二氧化钛高。

特点：它是一种n型半导体材料，晶粒尺寸介于1~100 nm，TiO2比表面积大，表面活动中心多，因而具有独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，呈现出许多特有的物理、化学性质。

应用：在涂料、造纸、陶瓷、化妆品、工业催化剂、抗菌剂、环境保护等行业具有广阔的应用前景，TiO2半导体光催化剂因光催化效率高、无毒、稳定性好和适用范围广等优点而成为人们研究的热点。

纳米TiO2的制备方法：

物理制备方法：主要有机械粉碎法、惰性气体冷凝法、真空蒸发法、溅射法等；

物理化学综合法：又可大致分为气相法和液相法。目前的工业化应用中，最常用的方法还是物理化学综合法。

2、溶胶-凝胶法的基本概念

溶胶：是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中,并且不停地进行布朗运动的体系。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高,溶胶是热力学不稳定体系。

溶胶分类：根据粒子与溶剂间相互作用的强弱,通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。

凝胶：是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联,形成空间网状结构,在网状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。对于热力学不稳定的溶胶,增加体系中粒子间结合所须克服的能量可使之在动力学上稳定。

溶胶-凝胶法原理

溶胶凝胶法是将金属醇盐或无机盐作为前驱体，有机前驱体经过水解和缩聚反应形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的涂层。

溶胶粒子按照一定的机理生成，扩散而形成分散状的聚集体，当溶胶中的液相因温度变化，搅拌作用、化学反应或电化学作用而部分失水时，体系黏度增大，达到一定浓度时形成凝胶，将凝胶经过成型、老化、热处理工艺，可得到不同形态的产物，本实验一钛酸丁酯为基本原料，将钛酸丁酯融入有机溶液中，然后滴加到含有95%乙醇和冰醋酸的混合溶液中，由于被滴溶液含有谁，钛酸丁酯会发生水解，通过恒温磁力搅拌器不断搅拌，从而控制是钛酸丁酯均匀水解，见笑了水解产物的团聚，得到颗粒细小切均匀的溶胶溶液。

错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。

缩聚反应：(1)失水缩聚：-M-OH+HO-M=-M-O-H-+错误!未找到引用源。

(2)失醇缩聚：-M-OR+HO-M=-M-O-M-+ROH

钛酸丁酯的水解和缩聚反应：

溶胶-凝胶法工艺流程

溶胶凝胶法中的结构演变

如图:图中A 为溶胶,溶胶颗粒均匀分散

在溶剂中;溶胶颗粒在不断的碰撞

中联结成线状,之后又构成三维网

络,如图中B 所示,这是凝胶形成的

初步:图中C 为凝胶的老化过程,这

个过程随着溶剂的蒸发,凝胶颗粒

在溶液的表面张力等作用下,颗粒

接触边界发生缩颈(necking),颗粒间形成有机键结合,凝胶强度增加;随着凝胶化的进一步进行,凝胶网络间隙中溶剂挥发完全,形成含有大量溶剂挥发留下的孔隙的干凝胶(图l 一2中(D));在进混合液 钛酸丁酯 无

水乙醇 二次蒸馏

水 研磨、烘焙

浓硝酸

搅拌

混合液 均匀混合液

真空干燥 黄色晶体 搅拌 均匀混合液黄色 无白色纳米二氧化钛粉末 无水乙醇

一步的干燥过程中,孔隙收缩(图1一2(E)),最后形成含有少量微小孔隙的非晶态玻璃体。如果进一步进行高温热处理,将转变成晶体,形成陶瓷或无机薄膜。

用这种方法制备的薄膜在干燥过程中易龟裂(由于大量溶剂的蒸发所产生的残余应力而引起的)客观地限制着所制备薄膜的厚度。

因此,膜厚不仅是其它制备方法遇到的问题,溶胶一凝胶方法也同样存在这方面的问题。

溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜优点:

①、可通过简单的设备,在各种规格和各种形状的机体表面形成

涂层;可获得高度均匀的多组分涂层和特定组分的不均匀涂层;

②、可获得粒径分布比较均匀的涂层;可通过多种方法对薄膜的

表面结构和性能进行修饰;

③、负载膜催化剂易回收利用,在催化反应中容易处理。

溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜缺点:

①、干燥过程中由于溶剂蒸发产生残余应力导致薄膜容易龟裂;

②、焙烧时由于有机物的挥发及聚合骨架的破坏,易导致薄膜龟

裂出现裂缝,甚至脱落;

③、薄膜的应力影响限制了薄膜的厚度;

④、溶胶的粘度、温度、浓度和机体的波动等因素影响制备的

薄膜质量;

⑤、由于机体比较光滑,薄膜与机体之间作用力小,负载牢固性

差。