JP4565170B2 - アナターゼ型ＴｉＯ２単結晶薄膜の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アナターゼ型のＴｉＯ2 単結晶を作製する方法に関するものであり、結晶性の向上により光触媒反応効率等の特性を上げようとするものである。即ち、その単結晶を光触媒として用いることにより窒素酸化物等の有害ガスの分解、除去を行う反応効率の向上を目的としている。
【０００２】
【従来の技術】
真空蒸着法やゾル・ゲル法によりアナターゼ型のＴｉＯ2 膜の作製が行われているが、これまでの薄膜は多結晶構造のものしか作製できなかった。また、これまでのＴｉＯ2 薄膜にはルチル型およびアナターゼ型が混在しており光触媒反応効率の高いアナターゼ型のみの単結晶薄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】
ＴｉＯ2 は高温側ではルチル型が安定なため、融体からの結晶成長法によるアナターゼ型の単結晶の製造は困難である。本発明の課題は高品質なアナターゼ型のＴｉＯ2 単結晶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】
本発明はアナターゼ型のＴｉＯ2 単結晶薄膜を作製する手段として、レーザー蒸着法により結晶構造の整合性が良いＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にアナターゼ型のＴｉＯ2 を基板温度、酸素分圧、蒸着速度を制御して単結晶薄膜を作製するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、金属チタンを酸素ガス雰囲気で、レーザー照射によって蒸発させ、無機あるいは金属の平滑表面あるいは単結晶表面の基板にＴｉＯ2 の形態で蒸させて、薄膜状の結晶を成長させるものである。
【０００６】
この作製条件としては、レーザーの出力と照射方法、酸素雰囲気の圧力、基板の種類と温度が重要な項目である。
【０００７】
即ち、本発明は、低圧酸素雰囲気（１０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ）でレーザー蒸着法によりＳｒＴｉＯ3 などの平滑な単結晶基板上に厚さが１０ｎｍ（ナノメータ）から２μｍの範囲に制御されたアナターゼ型のＴｉＯ2 の単結晶薄膜を作製するものである。アナターゼ型の単結晶を形成させる基板温度は、３５０℃〜６００℃（好ましくは４００℃〜５５０℃、最も好ましくは４５０℃〜５００℃）に制御される条件、酸素ガス圧は１０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ（好ましくは２０ｍＴｏｒｒ〜８０ｍＴｏｒｒ、最も好ましくは３０ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒ）に制御される条件とする。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【０００８】
【実施例】
（実施例１）
１パルス当たり４０ｍＪ、繰り返し周波数１０ＨｚのＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー（波長５３２ｎｍ）を低圧酸素雰囲気中（３５ｍＴｏｒｒ）に置いた金属チタンターゲットに直径１ｍｍに集光させて入射した。金属チタンターゲットより５ｃｍの距離に基板温度４６０℃に保持したＳｒＴｉＯ3 単結晶基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を設置した。５時間のレーザー照射でＴｉＯ2 チタン膜を作製した。
【０００９】
得られたＴｉＯ2 薄膜は厚さ１μｍであった。このＴｉＯ2 薄膜をＸ線回折法により結晶構造を評価したところ、図１に示すようにアナターゼ型のみのＴｉＯ2 膜が単結晶状で成長していた。ＳｒＴｉＯ3 基板との結晶方位関係は、
成長方位：ＴｉＯ2 （００１）／／ＳｒＴｉＯ3 （００１）、
面内方位：ＴｉＯ2 〔１００〕／／ＳｒＴｉＯ3 〔１００〕
であった。
【００１０】
即ち、図１は、（００１）面のＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にレーザー蒸着したＴｉＯ2 膜のＸ線回折（θ−２θ）図である。２θ：３７．８°にあるピークはＴｉＯ2（００４）からのピークであり、ＳｒＴｉＯ3（００１）面上にアナターゼ型のＴｉＯ2（００１）面が単結晶成長していることが確認できる。
【００１１】
一方、このＴｉＯ2 薄膜を２．０ＭｅＶ 4Ｈｅイオンによるラザフォード後方散乱・チャネリング法により構造評価した結果、この薄膜は単結晶状の構造で、（００１）面のＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にＴｉＯ2 （００１）が成長していることが確認できた。
【００１２】
（実施例２）
実施例１と同様の条件でＳｒＴｉＯ3 単結晶基板の基板温度を３５０℃とし、厚さ１μｍのＴｉＯ2 薄膜を作製した。Ｘ線回折法によりＴｉＯ2 （００４）からの回折ピークの半値幅を評価したところ、基板温度４６０℃で作製したＴｉＯ2 薄膜に比べて、半値幅が１８％広くなった。基板温度を４６０℃から３５０
℃に下げるとＴｉＯ2 薄膜の結晶性が低下した。
【００１３】
（実施例３）
実施例１と同様の条件で酸素ガス圧を１０ｍＴｏｒｒと１００ｍＴｏｒｒの条件で、厚さ０．５μｍのＴｉＯ2 薄膜を作製した。これらのＴｉＯ2 薄膜をＸ線回折法により結晶構造を評価したところ、酸素ガス圧を１０ｍＴｏｒｒで蒸着したＴｉＯ2 薄膜では、アナターゼ型のＴｉＯ2 以外の酸化チタンが１％程度混在していた。また、酸素ガス圧を１００ｍＴｏｒｒで蒸着したＴｉＯ2 薄膜でも
アナターゼ型のＴｉＯ2 以外の酸化チタンが１％程度混在していた。
【００１４】
（参考例４）実施例１と同様の条件で蒸着基板を（０００１）面のサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）とし、厚さ０．５μｍのＴｉＯ２薄膜を作製した。このＴｉＯ２薄膜をＸ線回折法により結晶構造を評価したところ、アナターゼ型のＴｉＯ２（００１）とルチル型のＴｉＯ２（１００）が混合したＴｉＯ２薄膜であった。
【００１５】
【発明の効果】
単結晶で作製したアナターゼ型のＴｉＯ2 薄膜は、結晶の欠陥が格段に軽減するため光触媒反応効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（００１）面のＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にレーザー蒸着したＴｉＯ2 膜のＸ線回折（θ−２θ）図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、アナターゼ型のＴｉＯ2 単結晶を作製する方法に関するものであり、結晶性の向上により光触媒反応効率等の特性を上げようとするものである。即ち、その単結晶を光触媒として用いることにより窒素酸化物等の有害ガスの分解、除去を行う反応効率の向上を目的としている。
【０００２】
【従来の技術】
真空蒸着法やゾル・ゲル法によりアナターゼ型のＴｉＯ2 膜の作製が行われているが、これまでの薄膜は多結晶構造のものしか作製できなかった。また、これまでのＴｉＯ2 薄膜にはルチル型およびアナターゼ型が混在しており光触媒反応効率の高いアナターゼ型のみの単結晶薄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】
ＴｉＯ2 は高温側ではルチル型が安定なため、融体からの結晶成長法によるアナターゼ型の単結晶の製造は困難である。本発明の課題は高品質なアナターゼ型のＴｉＯ2 単結晶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】
本発明はアナターゼ型のＴｉＯ2 単結晶薄膜を作製する手段として、レーザー蒸着法により結晶構造の整合性が良いＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にアナターゼ型のＴｉＯ2 を基板温度、酸素分圧、蒸着速度を制御して単結晶薄膜を作製するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、金属チタンを酸素ガス雰囲気で、レーザー照射によって蒸発させ、無機あるいは金属の平滑表面あるいは単結晶表面の基板にＴｉＯ2 の形態で蒸させて、薄膜状の結晶を成長させるものである。
【０００６】
この作製条件としては、レーザーの出力と照射方法、酸素雰囲気の圧力、基板の種類と温度が重要な項目である。
【０００７】
即ち、本発明は、低圧酸素雰囲気（１０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ）でレーザー蒸着法によりＳｒＴｉＯ3 などの平滑な単結晶基板上に厚さが１０ｎｍ（ナノメータ）から２μｍの範囲に制御されたアナターゼ型のＴｉＯ2 の単結晶薄膜を作製するものである。アナターゼ型の単結晶を形成させる基板温度は、３５０℃〜６００℃（好ましくは４００℃〜５５０℃、最も好ましくは４５０℃〜５００℃）に制御される条件、酸素ガス圧は１０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ（好ましくは２０ｍＴｏｒｒ〜８０ｍＴｏｒｒ、最も好ましくは３０ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒ）に制御される条件とする。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【０００８】
【実施例】
（実施例１）
１パルス当たり４０ｍＪ、繰り返し周波数１０ＨｚのＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー（波長５３２ｎｍ）を低圧酸素雰囲気中（３５ｍＴｏｒｒ）に置いた金属チタンターゲットに直径１ｍｍに集光させて入射した。金属チタンターゲットより５ｃｍの距離に基板温度４６０℃に保持したＳｒＴｉＯ3 単結晶基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を設置した。５時間のレーザー照射でＴｉＯ2 チタン膜を作製した。
【０００９】
得られたＴｉＯ2 薄膜は厚さ１μｍであった。このＴｉＯ2 薄膜をＸ線回折法により結晶構造を評価したところ、図１に示すようにアナターゼ型のみのＴｉＯ2 膜が単結晶状で成長していた。ＳｒＴｉＯ3 基板との結晶方位関係は、
成長方位：ＴｉＯ2 （００１）／／ＳｒＴｉＯ3 （００１）、
面内方位：ＴｉＯ2 〔１００〕／／ＳｒＴｉＯ3 〔１００〕
であった。
【００１０】
即ち、図１は、（００１）面のＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にレーザー蒸着したＴｉＯ2 膜のＸ線回折（θ−２θ）図である。２θ：３７．８°にあるピークはＴｉＯ2（００４）からのピークであり、ＳｒＴｉＯ3（００１）面上にアナターゼ型のＴｉＯ2（００１）面が単結晶成長していることが確認できる。
【００１１】
一方、このＴｉＯ2 薄膜を２．０ＭｅＶ 4Ｈｅイオンによるラザフォード後方散乱・チャネリング法により構造評価した結果、この薄膜は単結晶状の構造で、（００１）面のＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にＴｉＯ2 （００１）が成長していることが確認できた。
【００１２】
（実施例２）
実施例１と同様の条件でＳｒＴｉＯ3 単結晶基板の基板温度を３５０℃とし、厚さ１μｍのＴｉＯ2 薄膜を作製した。Ｘ線回折法によりＴｉＯ2 （００４）からの回折ピークの半値幅を評価したところ、基板温度４６０℃で作製したＴｉＯ2 薄膜に比べて、半値幅が１８％広くなった。基板温度を４６０℃から３５０
℃に下げるとＴｉＯ2 薄膜の結晶性が低下した。
【００１３】
（実施例３）
実施例１と同様の条件で酸素ガス圧を１０ｍＴｏｒｒと１００ｍＴｏｒｒの条件で、厚さ０．５μｍのＴｉＯ2 薄膜を作製した。これらのＴｉＯ2 薄膜をＸ線回折法により結晶構造を評価したところ、酸素ガス圧を１０ｍＴｏｒｒで蒸着したＴｉＯ2 薄膜では、アナターゼ型のＴｉＯ2 以外の酸化チタンが１％程度混在していた。また、酸素ガス圧を１００ｍＴｏｒｒで蒸着したＴｉＯ2 薄膜でも
アナターゼ型のＴｉＯ2 以外の酸化チタンが１％程度混在していた。
【００１４】
（参考例４）実施例１と同様の条件で蒸着基板を（０００１）面のサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）とし、厚さ０．５μｍのＴｉＯ２薄膜を作製した。このＴｉＯ２薄膜をＸ線回折法により結晶構造を評価したところ、アナターゼ型のＴｉＯ２（００１）とルチル型のＴｉＯ２（１００）が混合したＴｉＯ２薄膜であった。
【００１５】
【発明の効果】
単結晶で作製したアナターゼ型のＴｉＯ2 薄膜は、結晶の欠陥が格段に軽減するため光触媒反応効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（００１）面のＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にレーザー蒸着したＴｉＯ2 膜のＸ線回折（θ−２θ）図である。
Claims (2)
- レーザー蒸着法によりチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）単結晶基板上にアナターゼ型の二酸化チタン（ＴｉＯ2 ）単結晶薄膜を作製する方法。
- アナターゼ型のＴｉＯ2 単結晶薄膜を形成させる基板温度は、３５０℃〜６００℃に制御され、酸素ガス圧は１０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒに制御する請求項１に記載の方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000161743A JP4565170B2 (ja) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | アナターゼ型ＴｉＯ２単結晶薄膜の作製方法 |
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| JP2001342022A JP2001342022A (ja) | 2001-12-11 |
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| JPH11276890A (ja) * | 1998-03-27 | 1999-10-12 | Mitsubishi Electric Corp | 酸化チタン系光触媒層形成用原料及びそれを用いた光触媒材 |
| JP2000102732A (ja) * | 1998-09-29 | 2000-04-11 | Asahi Chem Ind Co Ltd | 金属酸化物の触媒 |
| JP2000126606A (ja) * | 1998-10-21 | 2000-05-09 | Toto Ltd | 光触媒機能材 |
-
2000
- 2000-05-31 JP JP2000161743A patent/JP4565170B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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