CN103668089A - 柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，包括柔性基底清洗：依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗；基底溅射：采用直流溅射钛靶，溅射气体为纯氩气和纯氧气；后续溅射：继续进行直流溅射，溅射气体不变。该方法操作简便，且获得的纳米棒阵列的厚度可以通过磁控溅射的时间和温度进行控制，产物性质稳定，成膜均匀，可用于大面积制备，适用于工业化生产。

Description

柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法
技术领域
本发明涉及一种一维纳米材料二氧化钛的制备，具体地说，涉及的是一种柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法。
背景技术
纳米材料因具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等特有性能，表现出常规材料所不具备的各种优越性能。在纳米材料研究领域中，纳米二氧化钛作为一种功能性半导体材料，在环境保护、光电转换、涂料行业和工业催化等领域有着极为广泛的用途。纳米二氧化钛材料具有价廉无毒、粒径小、粒子团聚少、形貌均一稳定、能够再循环利用等优点而在污水处理、空气净化方面备受青睐。
柔性基体负载的锐钛矿型二氧化钛纳米棒阵列在太阳能的储存与利用、光电转换等方面具有广阔的应用前景，尤其是在双面柔性染料敏化太阳能电池方面的应用，将省去二氧化钛晶型转变所需的高温煅烧阶段，极大提高光阳极的活性。通过磁控溅射法制备锐钛矿型二氧化钛纳米棒阵列光阳极，采用分光技术使太阳光由光阳极和透明对电极同时入射，可有效提高光敏染料的激发率。
目前制备二氧化钛纳米棒的方法主要有水热合成法、旋涂法和阳极氧化法，关于直接采用磁控溅射法制备二氧化钛纳米棒阵列的报道极少。如中国专利公开号为CN102086045A的发明专利，该专利包括如下步骤：1) 将钛酸四丁酯、二乙醇胺和乙醇混匀后，加入滴加液，搅拌混匀，陈化后，得到甩胶液；所述滴加液由水、乙醇和浓盐酸组成；2) 将所述步骤1)得到的甩胶液涂覆在基底上，干燥并热处理后，在所述基底表面得到金红石型TiO2膜；3) 将所述步骤2)所得金红石型TiO2膜与前驱体Ⅰ混合，于190℃进行反应，反应完毕得到TiO2一级纳米棒阵列；所述前驱体Ⅰ为TiCl3的NaCl饱和水溶液，所述前驱体Ⅰ的pH值为0.25；4) 将所述步骤3)所得TiO2一级纳米棒阵列与前驱体Ⅱ混合，于190℃进行反应，反应完毕得到所述TiO2二级纳米棒阵列；所述前驱体Ⅱ为TiCl3的NaCl饱和水溶液，所述前驱体Ⅱ的pH值为0.25-1.20。该专利是利用涂覆的方法先得到一层钛膜，继而采用水热法生长纳米棒阵列，过程比较复杂，而本发明中则是利用磁控溅射方法直接溅射纳米棒阵列，具有设备简单、价格便宜、成膜均匀、可用于大批量制膜等优点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法。
一种柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）柔性基底清洗：依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗；
（2）基底溅射：采用直流溅射钛靶，溅射气体为纯氩气和纯氧气；
（3）后续溅射：继续进行直流溅射，溅射气体不变。
步骤（1）所述丙酮、酒精以及去离子水超声的时间各为10分钟。
步骤（2）中对磁控溅射腔抽真空，使其真空度小于9.0×10-4Pa。
步骤（2）中调节柔性基底与靶材的距离为10～20厘米，选用99.99%的纯钛靶作为Ti薄膜沉积的溅射靶。
步骤（2）中基底溅射的功率为150-200瓦，溅射时间为0.5小时。 
步骤（2）所述纯氩气的纯度为99.99%以上，流量为20-80sccm，纯氧气的纯度为99.99%以上，流量为20-80sccm，气体压强为0.3-0.8Pa。
步骤（3）所述溅射的功率为150-250瓦，溅射时间为1-6小时。
与现有技术相比，本发明克服了其他方法在过程中需要配制溶液或进行加热等缺点，利用磁控溅射在柔性基底上直接溅射一层二氧化钛纳米棒阵列，并通过增加基底温度，使溅射后的纳米棒阵列更均匀平整，并且生长速度更快。本发明操作简便、价格便宜，反应条件温和，并且磁控溅射方法获得的纳米棒阵列的厚度可以通过溅射时间和温度进行控制，成膜均匀，可用于大面积制备薄膜，适用于工业化生产。制得的纳米棒可以在光致发光、光催化等方面有应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1的SEM像：a为正面形貌图，b为断面形貌图；
图2为本发明实施例1的TEM像； 
图3为本发明实施例2的SEM像：a为正面形貌图，b为断面形貌图；
图4为本发明实施例3的SEM像：a为正面形貌图，b为断面形貌图； 
 具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
（1）将2×2厘米的柔性基底依次在丙酮、酒精以及去离子水中超声清洗10分钟；
（2）将（1）中的柔性基底片置于磁控溅射腔内，采用直流溅射钛靶，先溅射一层基底二氧化钛，溅射功率185瓦，溅射时间0.5小时，纯氩气流量40sccm，氧气流量为20sccm，背底真空度8.0×10-4Pa，溅射气压0.6pa；
（3）将（2）中柔性基底继续进行溅射，溅射功率185瓦，溅射时间1小时，气体流量不变。
如图1所示，为磁控溅射所得的TiO2纳米棒阵列，可以看到正面的纳米颗粒尺寸比较小，纳米棒阵列的形貌并不明显，其厚度只有90纳米左右。TEM所观察到的结果与SEM的结果相符合，纳米棒阵列的长度在70-100纳米之间，阵列排列高度有序（如图2所示）。
实施例2：
（1）将2×2厘米的柔性基底依次在丙酮、酒精以及去离子水中超声清洗10分钟；
（2）将（1）中的柔性基底片置于磁控溅射腔内，采用直流溅射钛靶，先溅射一层基底二氧化钛，溅射功率185瓦，溅射时间0.5小时，纯氩气流量40sccm，氧气流量为20sccm，背底真空度9.0×10-4Pa，溅射气压0.6pa；
（3）将（2）中柔性基底继续进行溅射，溅射功率250瓦，溅射时间3小时，气体流量不变。
如图3所示，所得的二氧化钛纳米棒阵列为结晶性良好的锐钛矿晶型，正面的纳米颗粒尺寸较图1a明显增大，且其纳米棒阵列的厚度也增加到288纳米左右，整个溅射膜的厚度达到468纳米。
实施例3：
（1）将2×2厘米的柔性基底依次在丙酮、酒精以及去离子水中超声清洗10分钟；
（2）将（1）中的柔性基底片置于磁控溅射腔内，采用直流溅射钛靶，先溅射一层基底二氧化钛，溅射功率185瓦，溅射时间0.5小时，纯氩气流量40sccm，氧气流量为20sccm，背底真空度8.0×10-4Pa，溅射气压0.6pa；
（3）将（2）中柔性基底继续进行溅射，溅射功率215瓦，溅射时间6小时，气体流量不变。
图4为二氧化钛纳米棒阵列的SEM像，发现经过6小时长时间的溅射后，其纳米棒阵列仍然保持着高度有序，其厚度明显增大，约为775纳米左右，整个溅射膜的厚度也达到1微米左右，并且正面的纳米颗粒尺寸也显著增加并出现团聚现象。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。 

Claims (7)

1.一种柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）柔性基底清洗：依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗；
（2）基底溅射：采用直流溅射钛靶，溅射气体为纯氩气和纯氧气；
（3）后续溅射：继续进行直流溅射，溅射气体不变。
2.根据权利要求1所述柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述丙酮、酒精以及去离子水超声的时间各为10分钟。
3.根据权利要求1所述柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，步骤（2）中对磁控溅射腔抽真空，使其真空度小于9.0×10-4Pa。
4.根据权利要求1所述柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，步骤（2）中调节柔性基底与靶材的距离为10～20厘米，选用99.99%的纯钛靶作为Ti薄膜沉积的溅射靶。
5.根据权利要求1所述柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，步骤（2）中基底溅射的功率为150-200瓦，溅射时间为0.5小时。
6.根据权利要求1所述柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述纯氩气的纯度为99.99%以上，流量为20-80sccm，纯氧气的纯度为99.99%以上，流量为20-80sccm，气体压强为0.3-0.8Pa。
7.根据权利要求1所述柔性基底上溅射二氧化钛纳米棒阵列的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述溅射的功率为150-250瓦，溅射时间为1-6小时。
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