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Info
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (3)
- 【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。 - 【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。 - 【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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JP2002120342A JP2003311158A (ja) | 2002-04-23 | 2002-04-23 | 高効率光触媒二酸化チタン薄膜の作製方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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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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2002
- 2002-04-23 JP JP2002120342A patent/JP2003311158A/ja active Pending
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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 |
CN109589964B (zh) * | 2018-12-12 | 2020-05-08 | 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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