CN102828158A

CN102828158A - 一种二氧化钛薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN102828158A
Application number: CN2012103091130A
Authority: CN
Inventors: 任峰; 刘艺超; 周小东; 蔡光旭; 吴伟; 肖湘衡; 蒋昌忠
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明公开了一种二氧化钛薄膜的制备方法。利用离子注入技术，将能量为20-200kV钛离子注入到高纯的石英玻璃或蓝宝石等材料中，然后在氧气氛围中退火。通过调控注入离子剂量和退火温度来制备二氧化钛薄膜。注入的剂量范围为1-4×10¹⁷ions/cm²，退火温度为600-1000℃。制备的二氧化钛薄膜有良好的致密性且与衬底附着力强，同时薄膜具有良好的光催化性和抗菌性。该方法制备的二氧化钛薄膜可用作自清洁抗菌薄膜材料。

Description

一种二氧化钛薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于半导体薄膜领域，涉及一种二氧化钛薄膜的制备方法。

背景技术

纳米二氧化钛是一种新型无机材料，具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性等。广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自清洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业、锂电池中，可以说纳米二氧化钛是当前应用前景最为广泛的纳米材料之一，具有很强的开发和应用价值。

现有的二氧化钛薄膜的制备方法很多，主要有电子束沉积（EBD）,离子束辅助沉积（LAD），离子束溅射沉积（IBSD）,活化反应蒸发（ARE），离子镀（IP）,射频溅射（RFS），还有溶胶-凝胶法。但这些制备二氧化钛薄膜的方法，膜和衬底的附着力不是特别稳固。

发明内容

针对现有技术制备二氧化钛薄膜方法中存在薄膜与衬底附着力不理想的情况，本发明所要解决的技术问题是提供一种二氧化钛薄膜的制备方法，制备的二氧化钛薄膜与衬底有很好附着力，并且具有良好的光催化自清洁和抗菌性能。

本发明采取的技术方案是：通过将钛离子注入后进行热处理的方法在材料表面形成TiO₂薄膜，具体包括如下步骤：

1)将能量为20到200kV的Ti⁺注入到衬底中，使其在衬底中形成Ti纳米颗粒，Ti离子的注入剂量应不小于1×10¹⁷ions/cm²；

2)将注入Ti⁺后的衬底升温至600～1000°C，并在氧气气氛中保温退火2小时以上，退火完后自然降温。

本发明方法，可以石英玻璃或蓝宝石为衬底。

用于注入Ti⁺的注入机可选用已用于工业生产的金属蒸发多弧离子(MEVVA)源注入机。(MEVVA)源注入机的特点是束斑大并且均匀，束流较强（达mA级），可在短时间内进行高剂量的离子注入，因而大大降低了注入成本。

本发明方法对退火炉的设备要求简单，普通的退火炉就可以。

本发明采用离子注入结合热退火处理的方法制备二氧化钛薄膜，整个过程不复杂，仅仅需要离子注入和热退火处理两个过程就可以。这种膜因为从衬底中长出来，嵌入到衬底表面，制备的二氧化钛薄膜与衬底的附着力强，不容易脱落，并且具有良好的光催化自清洁和抗菌性能。

附图说明

图1是能量为20KV，Ti离子注入到石英玻璃衬底中，剂量为2×10¹⁷ions/cm²在氧气环境下的退火炉中分别进行500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃的退火2小时的扫描电镜(SEM)图像。

图2是钛离子注入剂量为2×10¹⁷ions/cm²的石英玻璃样品经800℃退火6小时后的XPS谱，(a)Ti2p，(b)O1s。

图3是能量为20KV，Ti离子注入到蓝宝石衬底中，剂量为3×10¹⁷ions/cm²在氧气环境下的退火炉中分别进行700℃、800℃、900℃、1000℃的退火4小时的扫描电镜(SEM)图像。

图4是空白的石英片样品和制备的二氧化钛薄膜样品上菌液培养24h后菌落数的变化，S1代表注入剂量2×10¹⁷ions/cm²在800°C退火的样品。

具体实施方式

一种二氧化钛薄膜的制备方法：

1)以石英玻璃或蓝宝石为衬底，将能量为20到200kV的Ti⁺注入到衬底中，使其在衬底中形成Ti纳米颗粒，Ti离子的注入剂量应不小于1×10¹⁷ions/cm²；

2)将注入Ti⁺后的衬底升温至600～1000°C，并在氧气气氛中保温退火2～6小时，退火完后自然降温。

下面结合实施实例对本发明作进一步的说明。

实施例1

将Ti注入到石英玻璃中，离子注入的能量为20KV，其中剂量为2×10¹⁷ions/cm²，然后将石英玻璃样品在氧气氛围下退火，温度分别为500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃，并保持2小时，衬底中的Ti原子逐渐扩散到衬底的表面并在其表面氧化形成TiO₂薄膜。之后自然降温。其中离子注入的整个过程中，样品放在样品自转台上，来保持注入的均匀性，同时采用循环冷却系统使样品保持在较低的室温，以避免注入过程中产生过高的热效应。

对本实施例制备的样品进行分析，图1是用本实例制备的二氧化钛薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图片。从图中可以看到，退火温度在600度以上时，二氧化钛薄膜比较均匀。

实施例2

利用XPS光谱对Ti离子注入石英玻璃中，剂量为2×10¹⁷ions/cm²，在800度退火6小时样品表面形成的二氧化钛薄膜进行分析，如图2所示，图（a）是Ti2p电子的XPS谱，结果显示Ti2p_1/2和Ti2p_3/2的结合能分别位于464.5eV和458.7eV，对应于二氧化钛中的Ti⁴⁺的结合能。图（b）是O1s电子的XPS谱，结果显示Ti-O键的结合能位于530eV，此外还有一个位于532.6eV的峰对应于Si-O键，来自衬底二氧化硅的信号。所以XPS结果证明了衬底表面形成了二氧化钛薄膜。

对本实施例制备样品的分析，如图2所示，XPS结果证明了衬底表面形成了二氧化钛薄膜。

实施例3

将清洁的蓝宝石片放入离子注入机中，整个过程中，样品放在样品自转台上，来保持注入的均匀性，同时采用循环冷却系统使样品保持在较低的室温，以避免注入过程中产生过高的热效应。引出电压20KV，注入剂量为3×10¹⁷ions/cm²，在氧气气氛下的退火炉中分别进行700℃、800℃、900℃、1000℃的退火4小时，衬底中的Ti原子逐渐扩散到衬底的表面并在其表面氧化形成TiO₂薄膜。然后自然降温。

对本实施例制备的样品进行分析，图3是用本实例制备的二氧化钛薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图片。从图中可以看到二氧化钛薄膜比较均匀。

本发明把离子注入技术作为一种新的制备二氧化钛薄膜的方法，通过调控注入剂量以及不同温度的热退火处理，在注入钛的石英玻璃或蓝宝石的表面上形成一层致密的二氧化钛薄膜，并且膜与衬底的附着力强。随着退火温度的升高，纳米二氧化钛薄膜会发生相变，会从锐钛矿相到金红石相转变，相变温度大约在1000℃左右，二氧化钛的金相以及相变的温度还与注入的剂量和衬底种类有关。

实施例4

抗菌实验：抗菌实验采用的菌种为革兰氏阴性的大肠杆菌(CCTCCAB90054)，实验过程如下：先用含99.95%乙醇的脱脂棉对试样表面进行灭菌处理，表面晾干；将30μL浓度为10⁶/ml的菌液滴到试样表面，并用灭菌封口膜覆盖，然后将试样S1（代表注入剂量2×10¹⁷ions/cm²在800°C退火的样品）放置在涂有大肠杆菌的培养箱中培养24h，试样取出后将菌液洗下均匀涂在琼脂板上，采用平板菌落计数法计算试样的抗菌率。

对本实施例制备的样品进行分析，如图4所示。从图中可以明显的看到，和空白石英片上取下的菌落数相比，S1样品上取下的菌落数有明显的减少。因此表明，此方法制备的二氧化钛样品对大肠杆菌具有较高的抗菌性能。

Claims

1.一种二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于：通过将钛离子注入后进行热处理的方法在材料表面形成TiO₂薄膜，具体包括如下步骤：

1)将能量为20到200 kV的Ti⁺注入到衬底中，使其在衬底中形成Ti纳米颗粒，Ti离子的注入剂量应不小于1×10¹⁷ ions/cm²；

2) 将注入Ti⁺后的衬底升温至600～1000oC，并在氧气气氛中保温退火2小时以上，退火完后自然降温。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以石英玻璃或蓝宝石为衬底。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，用于注入Ti⁺的注入机选用金属蒸发多弧离子源注入机。