DE102004042650B4 - Verfahren zum Abscheiden von photokatalytischen Titanoxid-Schichten - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Abscheiden einer photokatalytischen Titanoxid-Schicht auf mindestens einem Objekt (8) mittels Hochrate-Elektronenstrahlbedampfung in einer Vakuumkammer (1), dadurch gekennzeichnet, dass
– in der Vakuumkammer (1) eine sauerstoffhaltige Atmosphäre erzeugt wird;
– ein überwiegend Ti-Bestandteile aufweisendes Material (3) mittels eines Elektronenstrahls (5) verdampft wird;
– das Abscheiden von einem Plasma unterstützt wird, wobei das Plasma mittels diffuser Bogenentladung auf der Oberfläche des als Kathode geschalteten zu verdampfenden Materials (3) erzeugt wird;
– die Beschichtungsrate mindestens 20 nm/s beträgt;
– die Objekttemperatur während des Abscheidens zwischen 100 °C und 500 °C gehalten wird und
– die Titanoxid-Schicht kristallin und überwiegend als Anatas-Phase abgeschieden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von photokatalytischen Titanoxid-Schichten auf Objekten. Der photokatalytische Effekt von Titanoxid-Schichten ist seit Jahren bekannt und wird in der Industrie ausgenutzt, um Oberflächen von Objekten beispielsweise mit selbstreinigenden Eigenschaften auszustatten. Bei UV-Einstrahlung besitzt photokatalytisches Titanoxid unter Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser u. a. die Eigenschaft, OH-Radikale zu bilden, die zum Zersetzen organischer Schmutzbestandteile beitragen.
  • Unter UV-Einstrahlung ist bei Titanoxid-Schichten neben dem Zersetzen organischer Bestandteile eine weitere Wirkung zu beobachten. Mit zunehmender UV-Bestrahlung einer Titanoxid-Schicht verändert diese auch ihre Eigenschaft bezüglich der Benetzbarkeit mit Wasser in Richtung einer sehr hydrophilen Oberfläche. Das Zersetzen von organischen Bestandteilen einerseits und deren Unterspülen und Wegspülen aufgrund der Hydrophilie andererseits verleihen einer aus photokatalytischem Titanoxid bestehenden Objektoberfläche somit selbstreinigende Eigenschaften.
  • In der Literatur wird der Umfang des Begriffes Photokatalyse im Zusammenhang mit Titanoxid-Schichten unterschiedlich beschrieben. In einigen Schriften umfasst der Begriff Photokatalyse nur das Zersetzen organischer Bestandteile, bei anderen Autoren hingegen werden auch die hydrophilen Effekte unter dem Begriff Photokatalyse beschrieben. Es sei daher an dieser Stelle darauf verwiesen, dass die Begriffe „photokatalytisch" bzw. „Photokatalyse" im Erfindungssinn sowohl das Zersetzen organischer Bestandteile als auch die hydrophilen Effekte umfassen.
  • Um verwertbare photokatalytische Wirkungen zu zeigen, darf eine Titanoxid-Schicht nicht beliebig ausgebildet sein. Hierzu ist es erforderlich, dass die Titanoxid-Schicht kristallin ist und als Anatas- und/oder Rutil-Phase ausgebildet ist.
  • Die photokatalytischen Wirkungen von Titanoxid-Schichten sind jedoch untrennbar mit einer UV-Bestrahlung gekoppelt, d. h. es ist erst eine bestimmte UV-Bestrahlungszeit bzw. UV-Bestrahlungsdosis erforderlich, bis eine Titanoxid-Schicht sinnvoll verwertbare photokatalytische Wirkungen zeigt. Titanoxid-Schichten können diese Wirkungen auch nur einen bestimmten Zeitraum (Relaxationszeit) nach Beendigung einer UV-Bestrahlung aufrechterhalten.
  • Es wird daher angestrebt, photokatalytische Titanoxid-Schichten derart auszubilden, dass diese einerseits eine möglichst kurze UV-Bestrahlungszeit benötigen, um photokatalytische Wirkungen zu zeigen und andererseits eine lange Relaxationszeit aufweisen.
  • Es sind verschiedene Verfahren zum Abscheiden von photokatalytischen Titanoxid-Schichten bekannt. Zu einer ersten Gruppe gehören die so genannten Sol-Gel-Verfahren ( DE 199 62 055 A1 , DE 102 35 803 A1 , US 2002/0107144 A1). Hierbei wird zunächst eine Titanoxid-Bestandteile aufweisende Flüssigkeit bzw. Dispersion auf ein zu beschichtendes Objekt aufgetragen. Das Auftragen der Flüssigkeit/Dispersion kann beispielsweise durch Spritzen, Tauchen oder Streichen erfolgen. Daran anschließend wird die flüssige Schicht ausgetrocknet und bei Bedarf zusätzlich gehärtet. Mit Sol-Gel-Verfahren lassen sich hohe Beschichtungsraten erzielen. Nachteile ergeben sich daraus, dass derart hergestellte Schichten neben Titanoxid weitere Bestandteile aus der Flüssigkeit/Dispersion stammend aufweisen. Der Konzentrationsverlust von Titanoxid-Bestandteilen ist auch mit eingeschränkten photokatalytischen Eigenschaften der abgeschiedenen Titanoxid-Schicht verbunden.
  • Eine weitere bekannte Verfahrensgruppe zum Herstellen von photokatalytischen Titanoxid-Schichten bilden CVD-Verfahren. Aus WO 98/06675 ist ein drei Schritte umfassendes CVD-Verfahren zum Beschichten von Glasobjekten bekannt. In einem ersten Schritt wird ein Gasgemisch hergestellt, welches neben Titantetrachlorid eine sauerstoffhaltige organische Komponente umfasst. Nachfolgend wird dieses Gasgemisch auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb der Schwellentemperatur liegt, bei der sich das Titan aus dem Titantetrachlorid mit dem Sauerstoff aus der organischen Komponente zu Titanoxid verbindet. In einer Beschichtungskammer wird dieses Gasgemisch über die Schwellentemperatur erhitzt, wobei sich Titanoxid auf dem zu beschichtenden Glasobjekt abscheidet.
  • Zum Abscheiden von photokatalytischen Titanoxid-Schichten sind ebenfalls Magnetron-Zerstäubungsverfahren bekannt [„Structure and properties of crystalline titanium oxide layers deposited by reactive pulse magnetron sputtering", O. Zywitzki et. al, Surface and Coatings Technology, 180–181 (2004) 538–543]. Gegenüber CVD-Verfahren und Sol-Gel-Verfahren lassen sich mit Magnetron-Zerstäubungsverfahren bessere photokatalytische Eigenschaften bei Titanoxid-Schichten realisieren. Ein Nachteil besteht jedoch in den geringen Beschichtungsraten, die unterhalb von 5 nm/s angesiedelt sind.
  • Des Weiteren sind Verfahren zum Abscheiden von Titanoxid-Schichten bekannt, bei denen titanhaltiges Material mittels eines Elektronenstrahls reaktiv verdampft wird, wobei die aufsteigenden Dampfteilchen einem Plasma ausgesetzt werden, welches mittels einer separaten plasmaerzeugenden Einrichtung generiert wird [Lu, Xu et al. „Some Oxide Films Deposited by Reactive Low Voltage Plasma Assisted Evaporation" SPIE, Vol. 2000, 133 bis 139; sowie Schiller, N. et al. „Deposition of Titanium Dioxide by High-Rate Ion-Assisted Electron Beam Evaporation" 45th Annual Technical Conference Proceedings (2002) ISSN 0737-5921, 440 bis 442]. Mit diesen Verfahren sind hohe Schichtraten erzielbar, jedoch wirkt sich bei diesen Verfahren nachteilig aus, dass einerseits die separate Plasmaquelle noch zusätzliche Schutzmaßnahmen erfordert, um diese vor einer Beschichtung mit aufsteigenden Dampfteilchen zu schützen, und andererseits sind sogar mehrere dieser Plasmaquellen erforderlich, wenn großflächige Substratbereiche gleichzeitig beschichtet werden und der gesamte aufsteigende Dampf von Plasma durchdrungen werden soll.
  • Allen bekannten Verfahren zum Herstellen photokatalytischer Titanoxid-Schichten ist gemein, dass diese zu geringe Beschichtungsraten aufweisen und/oder Titanoxid-Schichten mit nur eingeschränkten photokatalytischen Wirkungen realisieren.
    •
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde ein Verfahren zu schaffen, mit dem photokatalytische Titanoxid-Schichten mit einer Beschichtungsrate von mindestens 20 nm/s abgeschieden werden können. Die abgeschiedenen Titanoxid-Schichten sollen gegenüber dem Stand der Technik eine bessere photokatalytische Wirkung erzielen, eine kürzere UV-Bestrahlungszeit zum Auslösen der photokatalytischen Wirkung benötigen sowie eine längere Relaxationszeit der photokatalytischen Wirkung nach einer UV-Bestrahlung aufweisen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird eine photokatalytische Titanoxid-Schicht auf mindestens einem Objekt mittels Hochrate-Elektronenstrahlbedampfung in einer Vakuumkammer abgeschieden, indem in der Vakuumkammer eine sauerstoffhaltige Atmosphäre erzeugt wird; ein überwiegend Ti-Bestandteile aufweisendes Material mittels eines Elektronenstrahls verdampft wird; das Abscheiden von einem Plasma unterstützt wird, wobei das Plasma mittels diffuser Bogenentladung auf der Oberfläche des als Kathode geschalteten zu verdampfenden Materials erzeugt wird; die Beschichtungsrate mindestens 20 nm/s beträgt; die Objekttemperatur während des Abscheidens zwischen 100°C und 500°C gehalten wird und die Titanoxid-Schicht kristallin und überwiegend als Anatas-Phase abgeschieden wird.
  • Unter photokatalytischen Titanoxid-Schichten im Erfindungssinn sind nicht nur reine Titanoxid-Schichten zu verstehen, sondern auch Dotierungselemente aufweisende Titanoxid-Schichten. Objekte, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet werden können, bestehen beispielsweise aus Glas (Architekturglasscheiben, Displays), Metall (Fassadenelemente, Halbzeuge in Band- oder Plattenform), Keramik (Fliesen, Kacheln) oder Kunststoff (Kunststoffverglasungen, Folien). Zu beschichtende Objekte können aber auch aus anderen Materialien bestehen und Oberflächenschichten aus mindestens einer der zuvor beispielhaft genannten Materialien aufweisen.
  • Ein wesentlicher Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Erzeugen eines Plasmas mittels diffuser Bogenentladung. Dabei wird ein auf der Oberfläche des Ti-Verdampfungsmaterials auftreffender hochenergetischer Elektronenstrahl derart schnell und hochfrequent periodisch abgelenkt, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des zu verdampfenden Ti-Materials quasi gleichmäßig erhitzt und letztendlich verdampft wird. Gleichzeitig wird das zu verdampfende Ti-Material, welches sich beispielsweise in einem Tiegel befindet, als Kathode einer stromstarken Bogenentladung geschaltet. Es bildet sich ein sogenannter diffuser Bogen aus, der im Wesentlichen im Bereich der vom Elektronenstrahl erhitzten Oberfläche des Verdampfungsmaterials brennt. Gegenüber einer Kaltkathoden-Bogenentladung, bei welcher ein noch nicht einmal 1 mm2 großer Fußpunkt mit extrem hoher Stromdichte ausgebildet wird, hat eine diffuse Bogenentladung eine diffuse und flächenmäßige Ausdehnung auf dem Verdampfungsgut, welche im Wesentlichen der quasi gleichmäßig erhitzten Oberfläche des Verdampfungsgutes entspricht. Dadurch wird ein wesentlicher Anteil des erzeugten Ti-Metalldampfes ionisiert und somit insgesamt ein hoher Ionisierungsgrad erreicht, was zum Ausbilden einer photokatalytischen Titanoxid-Schicht mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Eigenschaften beiträgt. Der Einsatz der diffusen Bogenentladung hat weiterhin den Vorteil, dass diese keine Spritzer emittiert und somit für eine großflächige plasmaaktivierte Bedampfung besonders geeignet ist.
  • Vorteilhaft ist es auch, wenn Sauerstoff derart in eine Vakuumkammer eingelassen wird, dass stöchiometrische Titanoxid-Schichten abgeschieden werden, weil diese Schichten die kristallinen Phasen Anatas und/oder Rutil in hohen Konzentrationen aufweisen. Hierfür ist ein Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Vakuumkammer von 5 × 10-4 mbar bis 1 × 10-2 mbar geeignet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Abscheiden einer Titanoxidschicht vorzugsweise bei einer Objekttemperatur in einem Bereich von 200°C bis 300°C, weil die Titanoxidschicht bei diesen Temperaturen überwiegend als Anatas-Phase abgeschieden wird.
  • Auch das Anlegen einer negativen Biasspannung in einem Bereich von 50 V bis 300 V an ein zu beschichtendes Objekt, durch welche ionisierte Ti-Dampf- bzw. Sauerstoffteilchen zur Oberfläche des Objekts hin beschleunigt werden, wirkt sich vorteilhaft auf die Schichteigenschaften wie Dichte, Brechungsindex und chemische Beständigkeit einer Titanoxid-Schicht aus. Diese negative Biasspannung kann beispielsweise gegenüber einem Tiegel, in welchem sich das zu verdampfende Ti-Material befindet, oder gegenüber einer Anode geschaltet werden. Als Biasspannung kann eine Gleichspannung bzw. eine mittelfrequent oder hochfrequent gepulste Spannung an das zu beschichtende Objekt angelegt werden. Die Anwendung von Pulsbias wirkt sich besonders vorteilhaft für die Stabilität der Prozessführung aus.
  • Um ein Mindestmaß an Plasmaaktivierung zu erwirken, ist ein Bogenstrom der diffusen Bogenentladung zur Oberfläche des Verdampfungsmaterials von mindestens 100 A auszubilden. Während beim Abscheiden von photokatalytischen Titanoxid-Schichten beispielsweise mittels Magnetron-Sputtern maximale Abscheideraten von etwa 5 nm/s erzielbar sind, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren Abscheideraten von mehreren hundert nm/s. Sehr gute Schichteigenschaften werden bei Abscheideraten in einem Bereich von 30 nm/s bis 120 nm/s und bei Schichtdicken von 10 nm bis 1 μm, vorzugsweise 20 nm bis 100 nm erzielt.
  • Beim Beschichten von Substratmaterialien, wie beispielsweise Glas, kann es zur Diffusion von Elementen aus dem Substrat in die Titanoxid-Schicht kommen, so dass die Titanoxid-Schicht derart verändert wird, dass die photokatalytischen Eigenschaften der Titanoxid-Schicht beeinträchtigt werden. Deshalb wird bei einer weiteren Ausführungsform zwischen einem zu beschichtenden Objekt und der darauf aufzutragenden Titanoxid-Schicht mindestens eine zusätzliche Schicht abgeschieden, die als Diffusionsbarriere wirkt. Auf diese Weise kann die Diffusion von Elementen aus dem Substrat (beispielsweise Kalium bei einem Glassubstrat) in die Titanoxid-Schicht wirksam unterbunden werden. Derartige als Diffusionsbarriere wirkende Schichten bestehen vorteilhafter Weise aus SiO2 und weisen eine Schichtdicke in einem Bereich von 10 nm bis 200 nm auf.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt schematisch eine Einrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. In einer Vakuumkammer 1 ist ein Verdampfertiegel 2 angeordnet, in welchem als Verdampfungsmaterial 3 Titan verdampft werden soll. Angeschlossen an die Vakuumkammer 1 ist eine Hochleistungs-Axial-Elektronenstrahlkanone 4, welche einen Elektronenstrahl 5 erzeugt, der mittels einer nicht dargestellten elektromagnetischen Umlenkeinrichtung auf die Oberfläche des im Verdampfertiegel 2 befindlichen Verdampfungsmaterials 3 abgelenkt wird und somit das Verdampfungsmaterial 3 erhitzt und letztendlich verdampft. Über dem Verdampfertiegel 3 ist eine Elektrode 6 angeordnet, die den Dampfraum umschließt und gegenüber dem Verdampfertiegel 3 auf eine positive Spannung gelegt werden kann. Ein über der Elektrode 6 auf einer Transporteinrichtung 7 bewegtes Objekt 8 aus Glas wird mit dem verdampften Material beschichtet.
  • Mittels der Elektronenstrahlkanone 4 wird der hochenergetische Elektronenstrahl 5 mit einer Leistung von etwa 50 kW schnell, hochfrequent und periodisch derart abgelenkt, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Verdampfungsmaterials 3 quasi gleichmäßig erhitzt und verdampft wird. Eine zwischen Elektrode 6 und Verdampfertiegel 2 mittels einer Stromversorgungseinrichtung 9 angelegte Gleichspannung von etwa 30 V bewirkt das Ausbilden einer so genannten diffusen Bogenentladung mit einem Strom von etwa 300 A, welche im Wesentlichen auf der mittels Elektronenstrahl 5 quasi gleichmäßig erhitzten Oberfläche des Verdampfungsmaterials 3 brennt. Dadurch wird ein hoher Ionisierungsgrad des Dampfes erzielt. Eine mittels Stromversorgungseinrichtung 10 an das Objekt 8 angelegte Biasspannung von –100 V bewirkt das Beschleunigen der ionisierten Dampfteilchen zur Oberfläche des Objekts 8.
  • Durch Einlass von Sauerstoff mittels eines Gaseinlasssystems 11 in die Vakuumkammer 1 während der Titanverdampfung wird eine 400 nm dicke, stöchiometrische TiO2-Schicht auf dem Objekt 8 mit einer stationären Beschichtungsrate von etwa 70 nm/s abgeschieden. Das Objekt 8 wird dabei auf einer Temperatur von etwa 250°C gehalten.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf dem Objekt 8 abgeschiedene TiO2-Schicht weist gegenüber photokatalytischen TiO2-Schichten, die nach bekannten Verfahren hergestellt wurden, deutlich verbesserte photokatalytische Eigenschaften auf. Dies wurde durch Versuchsanordnungen messtechnisch bestätigt.
  • Bei einer ersten Versuchsanordnung, bei der hydrophile Eigenschaften untersucht wurden, standen folgende drei Glasproben, die jeweils mit einer photokatalytischen TiO2-Deckschicht versehen waren, zum Vergleich:
    Probe 1 eine im Handel erworbene Glasscheibe mit einer nach einem CVD-Verfahren hergestellten photokatalytischen TiO2-Schicht,
    Probe 2 eine Glasscheibe mit einer photokatalytischen TiO2-Schicht, die mittels Magnetron-Zerstäuben abgeschieden wurde,
    Probe 3 eine Glasscheibe mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschiedenen photokatalytischen TiO2-Schicht.
  • Zum Charakterisieren der photoinduzierten Hydrophilität wurde der Kontaktwinkel eines Wassertropfens, der jeweils mit einer feinen Kanüle auf die Proben aufgebracht wurde, gemessen. Aus der Breite und der Höhe eines Wassertropfens kann unter Annahme eines Kugelsegments der Kontaktwinkel mit der Oberfläche einer Probe berechnet werden. Je kleiner ein ermittelter Kontaktwinkel ist, umso besser sind die hydrophilen Eigenschaften einer Probenoberfläche. Ein Kontaktwinkel von 0° entspricht einer vollständigen Benetzbarkeit einer Probenoberfläche, welche somit optimale hydrophile Eigenschaften aufweist.
  • Zu Beginn wurden alle drei Proben, die mehrwöchig im Dunkeln lagerten, einer gründlichen Reinigung unterzogen. Anschließend wurde bei allen drei Proben eine Kontaktwinkelmessung durchgeführt und somit ein Ausgangswert ermittelt. Mit einer UV-A-Lampe mit einem Wellenlängenbereich von 315 bis 380 nm wurden die drei Proben unter gleichen Bedingungen bestrahlt. Dabei ergab sich an den Proben eine Bestrahlungsstärke von 0,5 mW/cm2.
  • Nach ausgewählten Zeitabständen wurden an den Proben erneut Kontaktwinkelmessungen durchgeführt. Die Messergebnisse der Kontaktwinkel sind in Tab. 1 dargestellt.
  • Figure 00080001
    Tab. 1
  • Aus Tab. 1 ist ersichtlich, dass bei TiO2-Schichten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, bereits bei einer Messung nach einer 15-minütigen Bestrahlung mit UV-A optimale hydrophile Eigenschaften ermittelt wurden, wohingegen bei der mittels CVD-Verfahren hergestellten Probe 1 diese optimalen Eigenschaften erst bei einer Messung nach 45 min Bestrahlung nachgewiesen werden konnten.
  • Des Weiteren wurde das Relaxationsverhalten der hydrophilen Eigenschaften der Glasprobenoberflächen untersucht. Nach einer einheitlichen UV-A-Bestrahlungsdauer, nach der alle drei Proben einen Kontaktwinkel von 0° aufwiesen, wurden die Proben im Dunkeln gelagert und nach bestimmten Zeitabständen abermals ein zugehöriger Kontaktwinkel und somit das hydrophile Verhalten der Proben ermittelt. Die Ergebnisse dieser Kontaktwinkelmessungen sind in Tab. 2 dargestellt.
  • Figure 00090001
    Tab. 2
  • Während Probe 1 schon nach 3 h und Probe 2 nach 6 h keine optimalen hydrophilen Eigenschaften mehr aufwiesen, wurden bei Probe 3, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, erst nach einer Relaxationszeit von 10 h ein Kontaktwinkel größer 0° ermittelt.
  • Bei einer zweiten Versuchsanordnung wurde beim Abscheiden einer photokatalytischen TiO2-Schicht mittels Vakuumverdampfen der Einfluss der diffusen Bogenentladung auf Eigenschaften der abgeschiedenen TiO2-Schicht untersucht. Gegenstand der Untersuchung war hierbei zum einen die Fähigkeit einer TiO2-Schicht, bei UV-Bestrahlung organische Substanzen zu zersetzen und zum anderen die Schichteigenschaften Dichte und Brechungsindex.
  • Bei der zweiten Versuchsanordnung standen folgende zwei Glasproben, die jeweils mit einer photokatalytischen TiO2-Deckschicht versehen waren, zum Vergleich:
    Probe 4 eine Glasscheibe, die mittels Vakuumbedampfen ohne Unterstützung einer diffusen Bogenentladung beschichtet wurde,
    Probe 5 eine Glasscheibe, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet wurde.
  • Untersuchungen bezüglich der Dichte der abgeschiedenen TiO2-Schichten erbrachten bei Probe 4 Werte von 3,0 g/cm3 und bei Probe 5 Werte von 3,85 g/cm3. Für den Brechungsindex wurden bei Probe 4 Werte von 2,1 und bei Probe 5 von 2,5 ermittelt.
  • Des Weiteren wurden beide Proben jeweils mit einem Tropfen einer Lösung benetzt, die eine Konzentration von 0,01 mmol/l der Substanz „Methylen blau" aufwies. Anschließend wurden beide Proben unter gleichen Bedingungen mit einer UV-A-Lampe gemäß der ersten Versuchsanordnung bestrahlt. Der Zersetzungsprozess der organischen Bestandteile der Versuchslösung konnte aufgrund der Färbung der Lösung mit bloßem Auge verfolgt werden.
  • Bei Probe 4 wurde das vollständige Zersetzen der organischen Bestandteile nach 72 Stunden beobachtet, bei Probe 5 bereits nach 48 Stunden. Es konnte somit nachgewiesen werden, dass sich beim Abscheiden einer photokatalytischen TiO2-Schicht mittels Vakuumverdampfen eine Plasmaunterstützung basierend auf einer diffusen Bogenentladung positiv auf Eigenschaften der abgeschiedenen TiO2-Schicht auswirkt.
  • Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind somit zum einen die aus dem Vakuumbedampfen herrührenden hohen Beschichtungsraten und zum anderen die gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Eigenschaften von Titanoxid-Schichten. Dies betrifft sowohl die photokatalytischen Eigenschaften wie die Fähigkeit des Zersetzens organischer Partikel und die Hydrophilie als auch andere Schichteigenschaften wie beispielsweise Dichte, Brechungsindex und chemische Beständigkeit.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Abscheiden einer photokatalytischen Titanoxid-Schicht auf mindestens einem Objekt (8) mittels Hochrate-Elektronenstrahlbedampfung in einer Vakuumkammer (1), dadurch gekennzeichnet, dass – in der Vakuumkammer (1) eine sauerstoffhaltige Atmosphäre erzeugt wird; – ein überwiegend Ti-Bestandteile aufweisendes Material (3) mittels eines Elektronenstrahls (5) verdampft wird; – das Abscheiden von einem Plasma unterstützt wird, wobei das Plasma mittels diffuser Bogenentladung auf der Oberfläche des als Kathode geschalteten zu verdampfenden Materials (3) erzeugt wird; – die Beschichtungsrate mindestens 20 nm/s beträgt; – die Objekttemperatur während des Abscheidens zwischen 100 °C und 500 °C gehalten wird und – die Titanoxid-Schicht kristallin und überwiegend als Anatas-Phase abgeschieden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffkonzentration in der Vakuumkammer (1) derart eingestellt wird, dass eine stöchiometrische Titanoxid-Schicht auf dem Objekt (8) abgeschieden wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das Objekt (8) eine negative Biasspannung von 50 V bis 300 V angelegt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biasspannung als Gleichspannung oder als mittelfrequent oder hochfrequent gepulste Spannung angelegt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumkammer (1) ein Sauerstoffpartialdruck von 5 × 10-4 mbar bis 1 × 10-2 mbar erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Plasmaaktivierung ein Bogenstrom von mindestens 100 A eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Beschichtungsraten in einem Bereich von 30 nm/s bis 120 nm/s ausgebildet werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekttemperatur während des Abscheidens zwischen 200°C und 300°C gehalten wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schichtdicken von 10 nm bis 1 μm und vorzugsweise von 20 nm bis 100 nm abgeschieden werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Objekt und der photokatalytischen Titanoxid-Schicht eine Zwischenschicht als Diffusionsbarriere abgeschieden wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Diffusionsbarriere eine SiO2-Schicht abgeschieden wird.
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