JP4599547B2 - 二層構造の光触媒酸化チタン膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はレーザアブレーション成膜法により高い光触媒性をもった二酸化チタンの作製に関するものであり、Ti2O3膜とTiO2膜の二層構造の膜を形成することによりTiO2のみの膜に比べてより高い光触媒性を有した二酸化チタン膜が得られることを見出した。即ち、チタン酸化物であるTi2O3膜をTiO2膜の下地にすることにより高い光触媒性をもった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、除去への利用への拡大が図れる。
【0002】
【従来の技術】
真空蒸着法やゾル・ゲル法により二酸化チタン膜の作製が行われているが、これまでのTiO2膜はその結晶構造がルチルおよびアナターゼの多結晶構造のものしか作製できなかった。また、これらの作製方法では種々のチタン酸化物であるTi2O3、TiO2等の膜を多層構造で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】
本件の課題は、数十nm(ナノメートル)程度の非常に薄い厚さで平滑な膜の作製が可能なレーザアブレーション成膜法により、エピタキシャル成長させたTi2O3膜とTiO2膜の二層構造の膜を形成することにより高い光触媒性をもった二酸化チタン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、レーザアブレーション成膜法により、サファイア基板上にTi2O3そしてTiO2の順でエピタキシャル成長膜を積層させることが重要である。このためにサファイア基板上のTi2O3膜およびTi2O3膜上のTi2O3膜のエピタキシャル成長を見出した。作製した膜の結晶構造はX線回折法により評価し、さらに光触媒性をパルス光励起表面正孔量測定法(特願2000−213772号)により評価した。
【0005】
【発明の実施の形態】
本発明においては、レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上にTi2O3そしてTiO2の順でエピタキシャル成長させた膜を積層することにより高い光触媒性をもった二酸化チタンを作製するものである。
この作製条件として、Ti2O3及びTiO2蒸着時の基板温度、酸素ガス圧、蒸発物質が重要な項目である。
【0006】
即ち、本発明では、レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上にTi2O3そしてTiO2の順でエピタキシャル成長させるものである。サファイア基板上にTi2O3膜をエピタキシャル成長させる基板温度は、300℃〜500℃(好ましくは350℃〜450℃、最も好ましくは400℃)であり、蒸着雰囲気は真空中(≦1×10-6Torr)、蒸発物質はTiO2焼結体である。Ti2O3膜上にTiO2膜をエピタキシャル成長させる基板温度は、350℃〜550℃(好ましくは400℃〜500℃、最も好ましくは450℃)であり、蒸着雰囲気は低圧酸素雰囲気で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。蒸発物質はTiO2焼結体または金属チタンである。
【0007】
レーザアブレーション成膜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)である。
本発明に用いることができるサファイア基板は、(0001)面方位のサファイア単結晶基板である。
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100mJ、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)を真空中(≦1×10-6Torr)に置いたTiO2焼結体ターゲット(TiO2:φ50mm、厚さ5mm)に直径1mmに集光させて入射した。TiO2焼結体ターゲットより5cmmの距離に基板温度400℃に保持した(0001)面方位のサファイア単結晶基板を設置し、3時間のレーザー照射でTi2O3膜を作製した。得られたTi2O3膜は厚さ0.1μmであった。さらに、同上のレーザー照射条件及び基板温度で低圧酸素雰囲気中(35mTorr)に置いた金属チタン(Ti:φ50mm、厚さ5mm)に照射してTi2O3膜上にTiO2膜を作製した。3時間のレーザー照射で得られたTiO2膜の厚さ0.1μmであった。
【0009】
作製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1に示す。低角度側のピークからそれぞれTi2O3(0006),TiO2(200)およびサファイア(0006)からのピークに対応し、このX線回折測定の結果から(0001)面のサファイア基板上に(0001)面のTi2O3膜が成長し、さらに、この膜の上に(100)面のルチル型のTiO2膜が成長する結晶方位関係であった。
【0010】
成膜した二酸化チタン膜の光触媒性能を見積もるため、パルス光励起表面正孔量測定法(特願2000−213772号)により評価を行った。その結果を図2に示す。横軸は励起光の波長、縦軸は量子効率(表面励起正孔数/入射光強度)でプロットしている。この量子効率が高いほど、光の入射に対して多くの正孔が表面に励起することを意味しているので、高い触媒性能が期待される。Ti2O3膜上にTiO2を蒸着した本発明による二層構造の膜と、同一の蒸着条件でサファイア基板上に作製したルチル型TiO2膜との自然光下での光触媒性能を評価したところ、本発明によるTi2O3膜とTiO2膜の二層膜の方が4倍高い光触媒性能であることが分かった。
【0011】
(比較例1)
実施例1と同様の条件でサファイア基板上にTi2O3膜のみの膜を作製し、光触媒性能を評価したところ、光触媒性は見出せなかった。また、サファイア基板上にルチル型TiO2膜のみの膜を作製し、光触媒性能を評価したところ、本発明によるTi2O3膜とTiO2膜の二層構造の膜と比較して光触媒性は低かった。
【0012】
(比較例2)
実施例1と同様の条件で、真空中(≦1×10-6Torr)に置いたTiO2焼結体ターゲットを用いてサファイア基板上に蒸着を行った。基板温度250℃で蒸着した膜ではTi2O3膜のエピタキシャル成長は確認できなかった。また、基板温度550℃で蒸着した膜ではルチル型のTiO2膜が成長していた。サファイア基板上にエピタキシャル成長させたTi2O3膜上にルチル型のTiO2膜を成長させる場合、基板温度を300℃で蒸着した膜ではTiO2膜のエピタキシャル成長は確認できなかった。さらに基板温度が560℃で蒸着した膜では、下地のTi2O3膜がルチル型のTiO2に変化し、蒸着膜全体がルチル型のTiO2膜となってしまった。
【0013】
【発明の効果】
レーザアブレーション成膜法を用いてTi2O3膜とTiO2膜の二層構造の膜を形成することにより、TiO2膜のみのものに比べてより高い光触媒性をもった二酸化チタン膜が得られることを見出した。即ち、チタン酸化物であるTi2O3膜をTiO2膜の下地にすることにより二酸化チタン膜の光触媒性が高くなり、窒素酸化物等の有害ガスの分解、除去への利用が拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上に成膜したTi2O3とTiO2の二層膜のX線回折(θ−2θ)図である。
【図2】 図2は、レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上に成膜した本発明によるTi2O3とTiO2の二層膜およびTiO2のみの膜の表面励起正孔量測定結果を示す図である。
Claims (2)
- サファイア基板上にエピタキシャル成長したTi2O3膜が形成され、更に前記Ti2O3膜の上にエピタキシャル成長したTiO2膜が形成されたことを特徴とする、光触媒酸化チタン膜。
- レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上にエピタキシャル成長させたTi2O3膜を形成し、更に前記Ti2O3膜の上にエピタキシャル成長させたTiO2膜を形成することを特徴とする、光触媒酸化チタン膜を製造する方法。
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