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TiO2是n型金属氧化物半导体,是一种重要的无机功能材料,可用于制作电介质材料、光催化薄膜、减反射涂层、气敏传感器等。TiO2薄膜材料由于具有较好的光催化和亲水特性,在环境污染、自清洁材料等较多领域里有着广泛的应用前景。亲水和光催化反应发生在TiO2表面,表面的性质和结构对光催化和亲水性有重要影响。TiO2具有金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型,在一定温度下可发生晶型的转变。 本研究采用射频磁控溅射法在玻璃、石英玻璃和硅衬底上制备TiO2薄膜。用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和紫外-可见分光光度计(UV-Vis.)等现代测试技术,研究所制备纳米TiO2薄膜的结构、形貌、组分及光学性能,探讨退火温度、厚度和衬底等因素对TiO2薄膜亲水和光催化性能的影响。实验结果如下: (1)随着退火温度的升高,TiO2薄膜的晶相先由无定形向锐钛矿相转变,然后由锐钛矿相向金红石相转变。TiO2薄膜的表面粗糙度由未退火时的0.413nm减少到退火200℃时的0.218nm,然后随着退火温度的升高,粗糙度逐渐增加;这是粗化效应和平滑效应两种效应互相竞争权衡的结果。退火前 TiO2薄膜中O/Ti的比为2.4,退火1000℃后变为3.3;TiO2薄膜中Ti的价态均为+4价,样品表面存在羟基,并且退火后表面羟基减少。 (2)可见光范围内TiO2薄膜有很高的透射率;随着退火温度的升高,薄膜平均透射率先是逐渐增大,到400℃时达到最大,然后透射率又逐渐减少。薄膜的禁带宽度是随着退火温度的升高而逐渐减少,这是量子效应和晶型变化共同作用的效果;这也与薄膜吸收边随退火温度升高逐渐红移相对应。 (3)随着退火温度的升高,薄膜的接触角先是逐渐减少,600℃时接触角却突然增加,然后随着温度的升高,薄膜的接触角又逐渐降低。每个样品的接触角都是随着紫外光照时间的增加而逐渐减少;退火400℃的TiO2薄膜在较短紫外光照后就具有很好的亲水性,光照半小时后接触角为35.6o;退火800℃的经过长时间紫外光照射后,亲水性也变好,光照两个小时后接触角为14.4o。不同厚度的TiO2薄膜,150nm厚的亲水性最好,光照两个小时后接触角为18.0o。而不同衬底的TiO2薄膜,玻璃衬底样品的亲水性好于石英衬底和硅衬底的,光照两个小时后玻璃衬底样品的接触角为19.4o。 (4)不同退火温度的样品,退火800℃的TiO2薄膜对罗丹明B的降解率最高,达到86.7％。不同厚度的样品,膜厚为150nm时对罗丹明B的光催化降解率最大,达到86.9％。不同衬底的样品,玻璃衬底的样品催化性最好,光照3h后的降解率为89.9％。随着溶液浓度的增大,表观反应速率常数将逐渐减少;随着降解时间的增加,光催化降解率增加,但光催化降解速率将逐渐减小。