JP2003311158A - 高効率光触媒二酸化チタン薄膜の作製方法 - Google Patents

高効率光触媒二酸化チタン薄膜の作製方法

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JP2003311158A
JP2003311158A JP2002120342A JP2002120342A JP2003311158A JP 2003311158 A JP2003311158 A JP 2003311158A JP 2002120342 A JP2002120342 A JP 2002120342A JP 2002120342 A JP2002120342 A JP 2002120342A JP 2003311158 A JP2003311158 A JP 2003311158A
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Haruya Yamamoto
春也 山本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 数十nm 程度の厚さで平滑な膜の作製が可
能なレーザー蒸着法およびその後の熱処理により二酸化
チタンの結晶構造を制御することにより、高い光触媒性
をもった二酸化チタン薄膜を作製することにある。 【解決手段】 酸素雰囲気中でレ−ザ−蒸着法により、
シリコン(Si)基板、石英ガラス(SiO2)基板、サファイア
(a-Al2O3)基板、酸化マグネシウム(MgO)基板、チタン酸
ストロンチウム(SrTiO3)基板、ランタンアルミネート(L
aAlO3)基板、又はニオブ酸リチウム(LiNbO3)基板上に形
成した非晶質状の二酸化チタン薄膜を空気中で熱処理す
ることにより、高効率光触媒二酸化チタン薄膜を作製す
る方法であり、非晶質状の二酸化チタン膜を形成させる
ためには、蒸着中の酸素ガス圧を6.7 Pa 〜13.3 Paに制
御し、室温(20℃)で基板上に蒸着し、さらに高効率光
触媒二酸化チタン薄膜を形成するためには、空気中で50
0℃〜700℃の加熱温度で1時間〜2時間の熱処理を行い、
又高光触媒性を得るためには二酸化チタン膜の厚さを20
0 nm以上にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、レーザー蒸着法
による非晶質状の二酸化チタン薄膜の形成とその後の熱
処理により高い光触媒性をもった二酸化チタン薄膜の作
製に関するものであり、厚さが数十から数百nm(ナノ
メートル)で均一な膜厚に調整された高効率光触媒二酸
化チタン膜が得られ、窒素酸化物等の有害ガスの分解、
除去などの環境浄化への利用や電気化学光電池への応用
が図れる。
【0002】
【従来の技術】光触媒として使用される二酸化チタン膜
は、真空蒸着法、ゾル・ゲル法および陽極酸化法により
作製が行われているが、高い光触媒性を有し数十nmの
均一な膜厚の酸化チタン膜を作製することは困難であっ
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、数十
nm 程度の厚さで平滑な膜の作製が可能なレーザー蒸
着法およびその後の熱処理により二酸化チタンの結晶構
造を制御することにより、高い光触媒性をもった二酸化
チタン薄膜を作製することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明では、レーザー蒸
着法により、シリコン(Si)基板、石英ガラス(SiO2)基
板、サファイア(a-Al2O3)基板、酸化マグネシウム(MgO)
基板、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、ランタン
アルミネート(LaAlO3)基板、又はニオブ酸リチウム(LiN
bO3)基板上に室温付近(例えば、20℃)で非晶質状の二
酸化チタンを蒸着し、その後、空気中で熱処理すること
が重要である。このために蒸着基板上に非晶質状の二酸
化チタンを形成する蒸着条件およびその後の熱処理条件
を見出した。作製した膜の結晶構造はX線回折法により
評価し、さらに光触媒性を色素(メチレンブルー)の分
解により評価した。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明は、酸素雰囲気中のレーザ
ー蒸着法により、非晶質状の二酸化チタン薄膜を基板上
に形成させることと、その後の熱処理により高い光触媒
性をもった二酸化チタン薄膜を作製するものである。こ
の作製条件として、蒸着時の酸素ガス圧、膜の厚さおよ
び熱処理温度が重要な項目である。
【0006】即ち、本発明では、はじめにレーザー蒸着
法により、シリコン(Si)基板、石英ガラス(SiO2)基板、
サファイア(a-Al2O3)基板、酸化マグネシウム(MgO)基
板、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、ランタンア
ルミネート(LaAlO3)基板、又はニオブ酸リチウム(LiNbO
3)基板上に非晶質状の二酸化チタン薄膜を形成する。
【0007】レーザー蒸着法では、1パルスあたり150m
Jのレーザー光(波長 248 nm)を約1×2mm2に集光
し、蒸発物質に入射する。蒸発物質は、TiO2焼結体
とする。蒸着基板は、約7cmの距離をおいてTiO2
焼結体タ−ゲットと対向して配置する。蒸着基板上に非
晶質状の二酸化チタン膜を形成させる基板温度は室温
(例えば20℃)であり、蒸着雰囲気は低圧酸素雰囲気で
6.7 Pa〜13.3 Pa(好ましくは 8.0 Pa〜12.0 Pa、最も
好ましくは9.3 Pa〜10.7 Pa)に制御される条件とす
る。
【0008】また、高い光触媒性を得るための二酸化チ
タン膜の厚さは、200 nm以上である。 レーザー蒸着法
において用いるレーザーは、蒸発物質を蒸発することが
できるものであればいずれでもよいが、好ましくはエキ
シマレーザー(波長248nm)である。
【0009】次に、空気中の熱処理条件としては、加熱
温度は、500℃〜700℃(好ましくは550℃〜650℃、最も
好ましくは600℃)であり、加熱保持時間は1〜2時間
である。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【0010】
【実施例】(実施例1)本発明では、まず、レーザー蒸
着法により非晶質状の二酸化チタン膜の蒸着を行った。
1パルス当たり150 mJ、繰り返し周波数10Hzのエキシ
マレーザー(波長 248 nm)を、酸素雰囲気中(9.3 P
a)に置いたTiO2焼結体タ−ゲット(TiO2:φ50
mm、厚さ5 mm)に約1×2 mm2の大きさに集光させて入
射した。TiO2焼結体ターゲットより7cmの距離に蒸着
基板を配置し、室温(20℃)で非晶質状の二酸化チタン膜
を作製した。蒸着基板には、鏡面研磨したサファイア(a
-Al2O3)基板を用いた。蒸着基板の形状は、9 mm×9 mm
で厚さが0.3 mmである。2時間の蒸着で得られた二酸化
チタン膜は厚さ200nmであった。次に、電気炉を用
いて、蒸着した二酸化チタン膜を空気中で600℃、1時
間の熱処理を行った。
【0011】作製した膜の光触媒性能を評価するため
に、メチレンブルーの酸化分解試験を行った。光触媒を
生じさせるための紫外線光源はブラックライトを用い
た。石英ガラス製の容器内に二酸化チタン膜試料と濃度
が0.01mmol/lのメチレンブルー水溶液を3 ml入れ、紫外
線の照射時間に対するメチレンブルー水溶液の吸光度を
測定することにより光触媒によるメチレンブルーの分解
率を評価した。吸光度はメチレンブルーに起因する600
nm〜700 nmの波長域に現れる吸光スペクトルを測定し
た。
【0012】サファイア基板上に成膜した非晶質状の二
酸化チタン膜について熱処理温度と光触媒性能を調べた
結果を図1に示した。横軸に空気中における熱処理温
度、縦軸には上記のメチレンブルーの分解率(色素の除
去率)を示している。ここに示した分解率は、紫外光を
2時間照射した後の値である。この図より、高効率の光
触媒二酸化チタン薄膜を形成するための熱処理温度は、
500℃〜700℃(好ましくは550℃〜650℃、最も好ましく
は600℃)であることがわかる。
【0013】図1において、●は非晶質状の二酸化チタ
ン(TiO2)、■は多結晶のTi2O3、▲は多結晶の窒化チタ
ン(TiN) 、○は多結晶の金属チタン(Ti)の膜をサファイ
ア(a-Al2O3)基板上に蒸着した膜であり、いずれも空気
中で1時間の熱処理を行なった。なお、上記多結晶のも
のは次の比較例1に関するものである。
【0014】サファイア(a-Al2O3)基板に成膜した厚さ
200nmの非晶質状の二酸化チタン膜を未処理, 400
℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃で1時間熱処理した膜
の結晶構造をX線回折法により評価した。その結果を図
2に示す。このX線回折測定の結果から、蒸着膜の結晶
構造は、熱処理前は非晶質状であるが、熱処理温度が高
くなるのに従い、アナターゼとルチルが混在した構造が
現れ、800℃の熱処理ではほぼルチルのみの結晶構造に
変化していることがわかる。
【0015】(比較例1)本発明では、はじめに非晶質
状の二酸化チタン膜を基板上に形成することが重要であ
る。そこでサファイア基板上に多結晶のTi2O3、多結晶
の窒化チタン(TiN)および多結晶の金属チタン(Ti)の膜
を作製し、実施例1と同様の熱処理および光触媒性能の
評価を行った。Ti2O3膜および窒化チタン膜はレーザー
蒸着法により、金属チタン膜は電子ビーム加熱蒸着法に
より作製した。
【0016】図1に示すように、Ti2O3膜、窒化チタン
膜、金属チタン膜の熱処理を行っても光触媒性は示さな
かった。これより、蒸着後の熱処理により高効率光触媒
二酸化チタン薄膜を作製するためには、はじめに非晶質
状の二酸化チタン膜を基板上に形成することが重要であ
ることがわかる。
【0017】(実施例2)実施条件1と同様の条件でサ
ファイア基板上に二酸化チタン膜の膜厚を変えて作製
し、光触媒性を評価した。図3に結果を示す。横軸は膜
厚、縦軸はメチレンブルーの分解率(色素の除去率)を
示している。この図より、二酸化チタン膜の厚さが200
nm以上で分解率が一定になることがわかる。即ち、本発
明による二酸化チタン膜の作製方法では50 nmでも高い
光触媒性は得られるが、膜の厚さを200nm以上にするこ
とにより高い光触媒性を最大限に引き出せることがわか
る。
【0018】(実施例3)実施条件1と同様の条件で、
シリコン(Si)基板、石英ガラス(SiO2)基板、酸化マグネ
シウム(MgO)基板、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基
板、ランタンアルミネート(LaAlO3)基板、ニオブ酸リチ
ウム(LiNbO3)基板、ステンレス(SUS304)基板、又はニッ
ケル(Ni)基板上に厚さ200nmの非晶質状の二酸化チ
タン膜を形成し、空気中で600℃、1時間の熱処理を行
った。
【0019】光触媒性を評価した結果、シリコン(Si)基
板、石英ガラス(SiO2)基板、酸化マグネシウム(MgO)基
板、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、ランタンア
ルミネート(LaAlO3)基板、又はニオブ酸リチウム(LiNbO
3)基板で実施例1と同等の高い光触媒性を示した。しか
し、ステンレス基板、ニッケル基板に形成した膜では光
触媒性を示さなかった。
【0020】
【発明の効果】レーザー蒸着法による蒸着とその後の熱
処理により、基板がシリコン(Si)基板、石英ガラス(SiO
2)基板、サファイア(a-Al2O3)基板、酸化マグネシウム
(MgO)基板、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、ラ
ンタンアルミネート(LaAlO3)基板、又はニオブ酸リチウ
ム(LiNbO3)基板では高い光触媒性を示す二酸化チタン膜
が得られた。即ち、窒素酸化物等の有害ガスの分解、除
去などの環境浄化への利用や電気化学光電池への利用が
図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 熱処理温度と光触媒性の関係を示している。
【図2】 サファイア(a-Al2O3)基板に成膜した厚さ2
00nmの非晶質状の二酸化チタン膜について、未処
理, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃で1時間熱処
理した各試料のX線回折パターンを示している。
【図3】 サファイア(a-Al2O3)基板上に膜厚を変えて
作製した二酸化チタン膜の光触媒性を評価した結果を示
している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G047 CA02 CB04 CC03 CD02 CD07 4G069 AA03 AA06 BA01A BA01B BA02A BA02B BA04A BA04B BA14A BA14B BA48A BB04A BB04B BB06A BB06B BC04A BC04B BC10A BC10B BC12A BC12B BC16A BC16B BC42A BC42B BC50A BC50B BC55A BC55B CA10 CA13 CC32 DA06 EA08 EB15X EB15Y EC22X EC22Y EC25 FA01 FA03 FB02 FB29 FC06 FC07 4K029 AA06 AA07 AA08 AA09 AA24 BA48 BB10 BD00 CA02 DB20 EA01 EA08 GA01

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素雰囲気中でレ−ザ−蒸着法により、
    シリコン(Si)基板、石英ガラス(SiO2)基板、サファイア
    (a-Al2O3)基板、酸化マグネシウム(MgO)基板、チタン酸
    ストロンチウム(SrTiO3)基板、ランタンアルミネート(L
    aAlO3)基板、又はニオブ酸リチウム(LiNbO3)基板上に形
    成した非晶質状の二酸化チタン薄膜を空気中で熱処理す
    ることにより、高効率光触媒二酸化チタン薄膜を作製す
    る方法。
  2. 【請求項2】 非晶質状の二酸化チタン膜を形成させる
    ためには、蒸着中の酸素ガス圧を6.7 Pa 〜13.3 Paに制
    御し、室温(20℃)で基板上に蒸着し、さらに高効率光
    触媒二酸化チタン薄膜を形成するためには、空気中で50
    0℃〜700℃の加熱温度で1時間〜2時間の熱処理を行なう
    請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 高光触媒性を得るためには二酸化チタン
    膜の厚さを200 nm以上にする請求項1に記載の方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108283941A (zh) * 2017-09-26 2018-07-17 河海大学 用于污水处理厂尾水中总氮处理的非线性光催化膜及其应用
CN109589964A (zh) * 2018-12-12 2019-04-09 常州大学 一种稀土元素掺杂铌酸锂复合光催化材料及其制备方法与应用

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