CN102732879A - 一种二氧化钛基导电薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化钛基导电薄膜的制备方法，该方法通过用溶胶—凝胶法在基板上镀膜，然后对薄膜进行高真空下的热处理导致薄膜前驱体中的有机物部分或完全碳化，使制备的二氧化钛基薄膜具有好的电学性质，其电阻率可以达到10^-3Ω·cm数量级。本发明制备工艺简单，不需要任何昂贵的设备，成本低，可在任意形状的基板上涂膜，适合于大面积工业化生产。

Description

一种二氧化钛基导电薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛基导电薄膜的制备方法，属于功能薄膜材料技术领域。

背景技术

TiO₂是一种宽禁带半导体，其禁带宽度一般为3.0-3.2 eV, 在紫外光下有活性，能够产生大量的光电子和空穴，具有很强的氧化还原能力，从而作为光催化物质被广泛的研究应用。再者，由于传统的TCO材料（ITO、ZAO和FTO）都各自具有一定的缺陷，急需开发新的透明导电材料，而2005年Furubayashi 等人使用脉冲激光方法首次制备了具有高电导率的铌掺杂的锐钛矿二氧化钛Nb：TiO₂ (简称TNO) 薄膜，电阻率达到10^-4Ω·cm。但是该制备工艺复杂，设备成本高，需要掺杂价格较为昂贵的过渡族金属元素铌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、操作简便、易于工业化大面积生产的二氧化钛基导电薄膜的制备方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：二氧化钛基导电薄膜的制备方法是通过用溶胶—凝胶法在基板上镀膜，然后对薄膜进行高真空下的热处理导致薄膜前驱体中的有机物部分或完全碳化，使制备的二氧化钛基薄膜具有好的电学性质，具体包括如下的步骤：

1) 将基板清洗干净；

2)将钛酸四丁酯和乙酰丙酮放入乙醇中，搅拌混合，得到A溶液；将乙酸和水放入乙醇中，搅拌混合，得到B溶液；上述钛酸四丁酯:水:乙酰丙酮:乙酸的摩尔比为1:6:0.3:0.2；

3)将步骤2)中的B溶液逐滴加入A溶液中，搅拌混合均匀，配置浓度为0.01M～0.5M溶胶；

4) 将步骤3)中得到的溶胶在室温下陈化22h以上，得到凝胶；

5) 利用旋涂仪将凝胶旋涂在步骤1)的基板上，干燥，挥发除去乙醇，得到干膜；

6) 将步骤5)得到的干膜进行热处理，热处理温度≥400℃，真空度不低于10^-3Pa，保温时间为30 min～120min。

上述的基板可以是玻璃载玻片、石英玻璃或硅片。

二氧化钛基导电薄膜的厚度可由旋涂次数和转速控制。

本发明中对于基板的清洗，一般步骤如下：去离子水浸泡→超声→37%浓度的稀盐酸浸泡→超声→丙酮浸泡→超声→乙醇浸泡→超声→保存于乙醇中待用；

本发明利用溶胶—凝胶法制备二氧化钛基导电薄膜，通过提高真空度使薄膜前驱体中有机物部分或者完全碳化增强其膜的导电性能，制得的导电性能的二氧化钛基薄膜是颗粒状堆积的无定形结构，且有优良的电学性质。本发明设备简单，容易在各种不同形状的基板上成膜、用料少、成本低，适合于工业化生产。

附图说明

图1是二氧化钛基导电薄膜的SEM断面图片。

具体实施方式

以下结合实施例子进一步说明本发明。

实施例1：

1)清洗石英基板：将石英基板在去离子水浸泡2h→超声15min→37%浓度的稀盐酸浸泡2h→超声15min→丙酮浸泡1h→超声15min→乙醇浸泡1h→超声15min→保存于乙醇中待用；

2)将钛酸四丁酯和乙酰丙酮放入乙醇中，搅拌混合，得到A溶液；将乙酸和水放入乙醇中，搅拌混合，得到B溶液，上述钛酸四丁酯:水:乙酰丙酮:乙酸的摩尔比为1:6:0.3:0.2；

3) 将步骤2)中的B溶液逐滴加入A溶液中，搅拌混合均匀，配置浓度为0.1M的溶胶；

4)将步骤3)中得到的溶胶在室温下陈化22h，得到凝胶；

5)利用旋涂仪将凝胶旋涂在步骤1)的石英基板上，其转速为1000r/min 匀胶9s和3000r/min下30s，在100℃干燥10min，挥发除去乙醇得到干膜；

6) 将步骤5)中得到的干膜在高真空下进行热处理，热处理温度为550℃，真空度为10^-4Pa，保温时间为60min；

7) 重复上述步骤5)和6) 3次得到厚度为130nm的二氧化钛基导电薄膜，其SEM断面图片见图1。

薄膜的电阻率采用四探针的方法进行测量，其仪器型号为ST—2258A型数字式多功能四探针测试仪，其测试结果如表1，薄膜的电阻率达到10^-3Ω·cm数量级，说明该薄膜具有优良的导电性能。

表1：四探针法测表征其薄膜的电学性质

退火气氛	方块电阻（Ω/□）	膜厚（nm）	电阻率（Ω·cm）
				10-4Pa	348.25	130	4.5*10-3

实施例2：

同实施例1，区别在于：将B溶液逐滴加入A溶液中，配置浓度为0.01M的溶胶；热处理温度为400℃，真空度为10^-4Pa，保温时间为120min；旋涂在步骤1)基板上形成二氧化钛基导电薄膜的厚度为150nm。

薄膜的电阻率采用四探针的方法进行测量，其仪器型号为ST—2258A型数字式多功能四探针测试仪，其测试结果如表2，薄膜的电阻率达到10^-3Ω·cm数量级，说明该薄膜具有优良的导电性能。

表2：四探针法测表征其薄膜的电学性质

退火气氛	方块电阻（Ω/□）	膜厚（nm）	电阻率（Ω·cm）
				10-4Pa	272.6	150	4.1*10-3

实施例3：

同实施例1，区别在于：将B溶液逐滴加入A溶液中，配置浓度为0.05M的溶胶；旋涂在步骤1)基板上形成的二氧化钛基导电薄膜的厚度为120nm。

薄膜的电阻率采用四探针的方法进行测量，其仪器型号为ST—2258A型数字式多功能四探针测试仪，其测试结果如表3，薄膜的电阻率达到10^-3Ω·cm数量级，说明该薄膜具有优良的导电性能。

表3：四探针法测表征其薄膜的电学性质

退火气氛	方块电阻（Ω/□）	膜厚（nm）	电阻率（Ω·cm）
				10-4Pa	276.4	120	3.3*10-3

实施例4：

同实施例1，区别在于：将B溶液逐滴加入A溶液中，配置浓度为0.5M的溶胶；旋涂在步骤1)基板上形成的二氧化钛基导电薄膜的厚度为100nm。

薄膜的电阻率采用四探针的方法进行测量，其仪器型号为ST—2258A型数字式多功能四探针测试仪，其测试结果如表4，薄膜的电阻率达到10^-3Ω·cm数量级，说明该薄膜具有优良的导电性能。

表4：四探针法测表征其薄膜的电学性质

退火气氛	方块电阻（Ω/□）	膜厚（nm）	电阻率（Ω·cm）
				10-4Pa	363.2	100	3.6*10-3

实施例5：

同实施例1，区别在于：基板为硅片；室温下陈化时间30h；

步骤6)热处理温度为700℃，真空度为10^-4Pa，保温时间为30min。

薄膜的电阻率采用四探针的方法进行测量，其仪器型号为ST—2258A型数字式多功能四探针测试仪，其测试结果如表5，薄膜的电阻率达到10^-3Ω·cm数量级，说明该薄膜具有优良的导电性能。

表5：四探针法测表征其薄膜的电学性质

退火气氛	方块电阻（Ω/□）	膜厚（nm）	电阻率（Ω·cm）
				10-4Pa	382.1	100	3.8*10-3

Claims (2)

1.一种二氧化钛基导电薄膜的制备方法，包括如下的步骤：

1) 将基板清洗干净；

2)将钛酸四丁酯和乙酰丙酮放入乙醇中，搅拌混合，得到A溶液；将乙酸和水放入乙醇中，搅拌混合，得到B溶液；上述钛酸四丁酯:水:乙酰丙酮:乙酸的摩尔比为1:6:0.3:0.2；

3)将步骤2)中的B溶液逐滴加入A溶液中，搅拌混合均匀，配置浓度为0.01M～0.5M溶胶；

4) 将步骤3)中得到的溶胶在室温下陈化22h以上，得到凝胶；

5) 利用旋涂仪将凝胶旋涂在步骤1)的基板上，干燥，挥发除去乙醇，得到干膜；

6) 将步骤5)得到的干膜进行热处理，热处理温度≥400℃，真空度不低于10^-3Pa，保温时间为30 min～120min。

2. 根据权利要求1所述的二氧化钛基导电薄膜的制备方法，其特征是所述的基板是玻璃载玻片、石英玻璃或硅片。

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