JP4659517B2

JP4659517B2 - 光触媒の製造方法

Info

Publication number: JP4659517B2
Application number: JP2005149657A
Authority: JP
Inventors: 清光浅野
Original assignee: Nitto Optical Co Ltd
Current assignee: Nitto Optical Co Ltd
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006326391A

Description

本発明は、光触媒の製造方法に関する。

近年、光触媒が注目されている。光触媒は、光により電子が励起され、それに基づき、励起電子と正孔とが生成されるものであり、これら励起電子、正孔は、周囲の酸素を還元、酸化する（酸化還元反応）。これにより、活性酸素が生成され、光触媒の表面に付着した有機物は、その活性酸素により分解される。

ところで、光触媒の代表的なものとして、ＴｉＯ２からなるものがある。この中のアナターゼ型光触媒は、３．２ｅＶの比較的大きなバンドギャップを有し、電子を励起するためには波長が約３８０ｎｍ以下の紫外線しか利用できない。しかも、この紫外線は、太陽光にも、室内照明においても、あまり多くは含まれていない。このため、光触媒として、可視光をも利用できるものが研究されており、そのようなものとして、特許文献１に示すように、ＴｉＯ２にＣｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）等の金属元素をイオンとして注入（ドープ）するものが提案されている。この技術内容においては、注入された金属の電子エネルギ準位がバンドギャップ（禁制帯）内に作られることになり、ＴｉＯ２の光吸収帯を可視光領域までシフトさせて、可視光に基づき光触媒反応を起こさせることができる。
特開平９−２６２４８２号公報

しかし、上記特許文献１に係る光触媒の製造時においては、そのイオンの注入に際して、充分な圧力の金属蒸気を発生させることや、金属プラズマを安定的に長時間発生させること等が必要となって、大掛かりな装置とならざるを得ないばかりか、添加物（金属元素等）を新たに用意しなければならない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、新たに添加物を加えなくても、長期に亘って可視光に応答できる光触媒を容易に製造できる光触媒の製造方法を提供することにある。

上記技術的課題を達成するために本発明（請求項１に係る発明）にあっては、
基材上に、該基材の外側に向けて順に、第１，第２触媒層が積層され、
前記第１触媒層が、酸素欠損状態とされたＴｉＯ2-x（xは、０＜x＜０．０２）をもって形成されていると共に、前記第２触媒層から前記基材方向に離れる側のＴｉＯ2-xの酸素欠損割合が該第２触媒層側のＴｉＯ2-xの酸素欠損割合に比して多くなる傾斜組成構造とされ、
前記第２触媒層が、ＴｉＯ2をもって形成されている光触媒の製造方法であって、
先ず、高周波マグネトロンスパッタ装置内に、薄膜を被着させるための基材と、ＴｉＯ2の焼結体からなるターゲットとをセットすると共に、該高周波マグネトロンスパッタ装置内を真空状態とし、
次に、前記高周波マグネトロンスパッタ装置内を、酸素を導入せず高純度希ガスだけを導入した状態とし、
次に、前記第１触媒層の形成工程として、無加熱状態の下で、前記希ガスをプラズマ化させてその正イオンを前記ターゲットに衝突させることにより、該ターゲットからのスパッタ粒子を前記基材表面に堆積させて、該基材表面に、アモルファス状態で酸素欠損状態の薄膜を形成し、
この後、前記第２触媒層の形成工程として、前記高周波マグネトロンスパッタ装置内に酸素を導入して、前記薄膜の表面だけを無加熱の状態で酸化させることにより、該薄膜の表面側にＴｉＯ2層を形成する、
ことを特徴とする光触媒の製造方法とした構成としてある。この請求項１の好ましい態様としては、請求項２の記載の通りとなる。

本発明（請求項１に係る発明）によれば、高周波マグネトロンスパッタ装置内に高純度希ガスだけを導入し酸素を導入しないことから、高密度のプラズマの存在のためにスパッタされた中性のＴｉＯ2のイオン化率が高くなること、ＴｉＯ2の酸素が選択的にスパッタされることのいずれかが単独的或いは複合的に起こり、原子番号の小さな酸素が欠損したＴｉＯ2-xが、ターゲットからの最終的スパッタ粒子として基材表面に堆積し、酸素欠損を有するＴｉＯ2-x（xは、０＜x＜０．０２）膜が基材表面に形成される。この薄膜は、この後、その表面だけが無加熱の状態で酸化されて、ＴｉＯ2層が形成され、薄膜は、内側から外側に向けて順に、酸素欠損を有するＴｉＯ2-x（xは、０＜x＜０．０２）により形成されていると共に、該ＴｉＯ2-xの酸素欠損割合に関して、傾斜組成構造となる第１触媒層と、ＴｉＯ2をもって形成される第２触媒層と、を有する。
この結果、基材に被着される第１触媒層に関しては、イオン注入等の混入を行わなくても、酸素欠損状態が傾斜組成構造とされたＴｉＯ2-xに基づき、紫外線だけでなく可視光に対しても応答して、光触媒反応を起こすことができることになる。その一方、最外表面に位置する経年変化に安定な第２触媒層（ＴｉＯ2）は、紫外線に基づき光触媒反応を起こすだけでなく、外部からの酸素の侵入を防いで、第１触媒層（ＴｉＯ2-x）が酸化されることを抑制し、第１触媒層における可視光応答性を長期に亘って維持することになる。
しかも、この薄膜の生成に際しては、汎用品としての高周波マグネトロンスパッタ装置が用いられ、特別な製造装置は用いられない。
したがって、当該製造方法を用いることにより、新たに添加物を加えなくても、長期に亘って可視光に応答できる光触媒を容易に製造することができる。
また、無加熱状態の下で、希ガスの正イオンをターゲットに衝突させて、ターゲットからのスパッタ粒子を基材表面に堆積させているので、比較的低温の下で製膜することができ、基材として、融点が比較的低いプラスチック類等をも用いることができる。このため、プラスチック類等の表面にも、有効な当該光触媒を形成できる。
さらに、薄膜ＴｉＯ2-xの表面を酸化するに際して、無加熱の状態で行うことから、薄膜ＴｉＯ2-xをアモルファス状態とすることができ、酸素欠損による不対電子（ダングリングボンド）により、第２触媒層であるＴｉＯ2層を無加熱で形成できる。
加えて、真空下で且つ比較的低温下で当該光触媒を作製できるので、当該光触媒の薄膜内において、不要な不純物を少なくでき、緻密で長期間安定な光触媒を得ることができる。

請求項２に係る発明によれば、高純度希ガス中に酸素を導入しないだけでなく、希ガスをプラズマ化するための投入高周波電力を、スパッタ粒子がＴｉ−Ｏ結合を維持する状態に設定して、金属Ｔｉ粒子を含まないようにしていることから、ＴｉＯ2の酸素が選択的にスパッタされ、酸素欠損状態のＴｉＯ2-xを基材表面に堆積できる。このため、基材表面に、酸素欠損を有するＴｉＯ2-x（xは、０＜x＜０．０２）膜を的確に形成できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、実施形態に係る触媒１の概念図を示す。この光触媒１は、基材２の表面に、薄膜（例えば５０〜６０ｎｍ）として形成されることになっており、その構造は、基材２の表面から外側に向けて順に、第１触媒層３、第２触媒層４が積層された構造となっている。

前記基材２（基板）としては、ガラスやＳｉ等だけでなく、融点が低めであるプラスチック類を含めた種々の材料を、用途に応じて適宜用いることができる。

前記第１触媒層３は、ＴｉＯ2（二酸化チタン）よりも酸素が足りない酸素欠損状態、すなわちＴｉＯ2-x（xは、０＜x＜０．０２）をもって形成されている。これは、このＴｉＯ2-xからなる第１触媒層３により、光吸収帯を、紫外線だけでなく可視光領域までシフトさせて、可視光に基づいても光触媒反応を起こさせるためである。すなわち、ＴｉＯ2から酸素が脱離することで、ＴｉＯ2に残った電子が４価のチタンイオン２個を３価のチタンイオンに還元することになり、このような３価のチタンイオンが強く分極し、新たな酸素欠損準位を形成することが期待できるからである。

ここで、上記「x」が０を含まないのは、幾分でも酸素欠損状態にない場合には、ＴｉＯ2と変わらず、可視光応答性が期待できないからであり、「x」が０．０２未満であるのは、可視光応答性に基づく効果（有機物の分解等）を現実的な意味で認識できるからである。

本実施形態においては、第１触媒層３におけるＴｉＯ2-xは、「x」が平均１．９９程度とされて、ＴｉＯ1.99とされており、この組成に基づき、淡黄色の色彩を呈した。

前記第１触媒層３は、ＴｉＯ2-xの酸素欠損割合に関して、第２触媒層４から層厚方向に離れる側（図１中、下側）が該第２触媒層４側（図１中、上側）に比して多くなる傾斜組成構造とされている。具体的には、酸素欠損状態は、第１触媒層３の層厚方向内方に入るに従って増している（xが０．０２未満の範囲で増加）。これにより、第１触媒層３の層厚方向内方に向けての化学組成比の傾斜的なずれが、Ｔｉ−Ｏ結合に摂動を生じ、その結果、実際の伝導帯と価電子帯がにじみ現象を起こして、バンドキャップを小さくし、可視光領域に応答することが期待できると考えられるからである。

前記第２触媒層４は、図１に示すように、ＴｉＯ2をもって形成されている。ＴｉＯ2からなる第２触媒層４をもって、紫外線に応答させて光触媒１反応を起こさせると共に、ＴｉＯ2の緻密性を利用して外部から内部に酸素が侵入することを抑制して、第１触媒層３のＴｉＯ2-xが酸化されることを抑制し、第１触媒層３における可視光応答性能を長期に亘って維持するためである。しかも、ＴｉＯ2が、透明度が高く光を第２触媒層４を介して第１触媒層３に照射できることも考慮されている。
この第２触媒層４は、光触媒１の表面近傍にのみ形成されており、この第２触媒層４の層厚は、第１触媒層３の層厚に比べて格段に薄いものとなっている。本実施形態においては、第２触媒層４の層厚は、数ｎｍとされている。

次に、上記光触媒１の製造方法について説明する。
この光触媒１の製造には、汎用品としての高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタ装置が用いられている。特別な製造装置を用いなくても、光触媒１を製造できるようにし、その製造を容易にするためである。

具体的には、このＲＦマグネトロンスパッタ装置５は、図２に示すように、真空チャンバ６を備えている。この真空チャンバ６には、真空ポンプ７がバルブ８を介して接続されて真空引きが可能となっていると共に、その真空チャンバ６内に高純度希ガスとしてのアルゴンガスを供給可能とすべく、減圧弁９、バルブ１０を介してアルゴンボンベ１１が接続されている。一方、この真空チャンバ６内には、基材２を保持するための基材保持部１２と、ターゲット１３を保持すると共に高周波電極を兼ねるターゲット保持部１４とが配設されており、そのターゲット保持部１４と真空チャンバ６とには、そのターゲット保持部１４にＴｉＯ2等の絶縁物ターゲット１３を用いた場合でも放電現象を発生させるべく、高周波電源(13.56MHz 最高５００Ｗ)１５によって高周波電力（電圧）が印加可能となっている。この他、符号１６は真空計、符号１７は圧力計を示す。尚、磁場発生用磁石については省略されている。

このようなＲＦマグネトロンスパッタ装置５において、先ず、基材保持部１２に基材２としてガラス基板（符号２を用いる）を保持すると共に、ターゲット保持部１４に、ＴｉＯ2の焼結体からなるターゲット１３を保持した上で、真空チャンバ６内を真空引きする。この場合、真空チャンバ６内は、１×１０-8Ｔｏｒｒ以下の高真空にされる。

次に、真空チャンバ６内に高純度希ガスとしてのＡｒ（アルゴン）ガスだけを導入し、酸素ガスは真空チャンバ６内に導入しない。このとき、Ａｒガスは、５×１０-3Ｔｏｒｒの圧力をもって真空チャンバ６内に導入される。

次に、上記Ａｒガス導入の下で、ターゲット保持部１４と真空チャンバ６とに高周波電力を供給する。これにより、電界が生成され、その電界によってＡｒガスがプラズマ化し（プラズマを符号１８をもって示す）、Ａｒ+１９が生成される。このＡｒ+１９は、高速でＴｉＯ2焼結体からなるターゲット１３に衝突することになり、下記（１）（２）のような作用のいずれかが単独的或いは複合的に起こり、ターゲット１３からの最終的スパッタ粒子としてＴｉＯ2-xが生成される。
（１）Ａｒ+１９の衝突に基づきターゲット１３からＴｉＯ2が飛び出し、その中性のＴｉＯ2のイオン化率が、高密度のプラズマの存在のために高くなり、原子番号の小さな酸素が欠損したＴｉＯ2-xが生成されること。
（２）Ａｒ+１９がターゲット（ＴｉＯ2）１３に衝突する際に、そのＴｉＯ2の酸素が選択的にスパッタされ、基材２に対するスパッタ粒子としてＴｉＯ2-xが生成されること。
この最終的なスパッタ粒子ＴｉＯ2-xが、基材２表面に堆積することになり、基材２表面に薄膜が被着される。

このとき、高周波電力は、前記スパッタ粒子２０がＴｉ−Ｏ結合を維持する観点から設定される。具体的には、高周波電力は２０分間供給されてスパッタリングが行われるが、より具体的には、高周波電力の供給開始から５分間は５０Ｗ、その後１１分間は１００Ｗ、さらにその後４分間は１５０Ｗとなるように調整し、反射によるスパッタロスを考慮すると、実質５０Ｗ程度の低出力パワーでＴｉＯ2-x薄膜を作成した。

また、この高周波電力供給（スパッタリング）に際しては、ガラス基板２も、ターゲット１３も加熱されない。

このため、スパッタリングにおいて、前記スパッタ粒子２０は、アモルファス状態で酸素欠損状態のＴｉＯ2-x膜（xは、０＜x＜０．０２）を形成する。

次に、真空チャンバ６を開放し（大気圧下に戻す）、その真空チャンバ６内に外気を導入する。これは、外気（空気中の酸素）を利用して、上記ＴｉＯ2-xからなる薄膜（第１触媒層３）の表面近傍部分だけを酸化すると共に、その表面近傍部分から層厚方向内方側において、薄膜の外面側ほど酸化状態が高い状態にすることを目的としており、この酸化により、その表面近傍部分においては、ＴｉＯ2層（第２触媒層４）が形成されると共に、その表面近傍部分から層厚方向内方側に向かうほど酸素が足りなくなる傾斜組成構造を示すことになる。これにより、ガラス基板上に光触媒１が形成される。この実施形態においては、外気中の酸素を有効に利用することにより、特別に酸化手段を用意しなくてもよくしているが、勿論、外気による酸化に換えて、別の酸化手段（例えばＲＦマグネトロンスパッタ装置に一部酸素導入等）を用いてＴｉＯ２層厚を制御してもよい。

上記具体的製造方法の下では、ガラス基板に光触媒１が５２．３ｎｍの薄膜をもって形成され、その光触媒１は、淡い黄色を呈した。このことから、Ｏ／Ｔｉ原子比と色の関係を示す表１に基づき、上記薄膜の表面近傍部分よりも内方側に、ＴｉＯ2-xとして、ＴｉＯ1.99が生成されていることが確認できた。この光触媒１は、表面がポーラスではないため、比表面積は大きくないが、スパッタ粒子作成時の投入パワーを低出力で行っているため、表面が緻密で平滑にできる。このため、表面に被反応物質が付着しにくく、安定な第２触媒層４により経年変化が少なく、医療器具等への応用等、防汚、抗菌に向いている。この光触媒１は、非常に薄い膜でも、効率のよい酸化特性を持っているため低コストで生産できる。

上記具体的製造方法の下で生成された光触媒１の可視光応答性を確認すべく、光吸収帯を調べた。その結果は、図３に示す通りであり、その図３によれば、当該光触媒１の光吸収帯は、ＴｉＯ2だけからなる光触媒１よりも可視光領域に余計にシフトし、可視光応答性に優れていることを示した。

また、上記光触媒１の長期安定性を確認すべく、石英ガラス基板２に上記光触媒１を形成したものに対して、１５ＷのＵＶランプを照射時間を異ならせて照射し、それらを、約１日間培養したものと、２年間室温にて保管したものとに分け、コロニーカウント法にて大腸菌の生存率を測定した。その結果は、図４に示す通りであり、約１日間培養したものと、２年間室温にて保管したものとに差異はほとんど見られず、経時変化がないことを示した。

次に、前述の光触媒１（第１，第２触媒層３，４を有するもの）を用いた低温酸化方法について説明する。

本実施形態においては、図５に示すように、取り扱い性を容易にすべく、光触媒１が、ガラスやプラスチック等の光透過性を有する基材２に被着されて、光触媒ユニット２１として用いられている。この光触媒ユニット２１は、Ｓｉウエハ等の酸化すべき被酸化部材２２を酸化するに際して、その第２触媒層４が、被酸化部材２２に対して近接するように配置され、その状態で基板２外側から光が照射される。これにより、光の中の紫外線だけでなく可視光をも利用して、第２触媒層４の表面に活性酸素２３を生成できることになり、その活性酸素２３に基づき被酸化部材２２表面を低温下で迅速に酸化できることになる。符号２４は、被酸化部材２２の酸化部分を示す。

この場合、第２触媒層４表面と基材２との近接配置は、第２触媒層４表面を被酸化部材２２表面に当接させることを含む一方、第２触媒層４表面を被酸化部材２２から離間させる場合には、最大でも１〜２ｍｍ程度までの離間距離とすることが好ましい。活性酸素２３を被酸化部材２２表面に確実に供給するためである。
勿論この場合、光を絞ることにより、或いは基材２表面をマスキングすることにより、被酸化部材２２の所定の個所を部分的に酸化できることになる。このような低温酸化方法は、各種パターニング等に利用できるばかりか、本件の第２触媒層４（ＴｉＯ２に酸化）を形成するために利用できる。

上記低温酸化方法に基づくＳｉウエハの酸化の程度を確認すべく、オージェスペクトルを測定することにより、Ｓｉウエハの酸化状態を測定した。測定においては、下記４種類のＳｉウエハを用意した。この場合、光触媒ユニット２１を用いて低温酸化するに際して、光触媒１の第２触媒層４表面と各Ｓｉウエハ表面との離間距離を約１ｍｍとした。
（ａ）表面洗浄のみを行ったＳｉウエハ（以下、表面洗浄のみ）
（ｂ）表面洗浄後、紫外線を石英ガラス基板を通して５分間照射したＳｉウエハ（以下、ガラス５分）
（ｃ）表面洗浄後、紫外線を光触媒ユニット２１を通して９０秒間照射したＳｉウエハ（以下、光触媒９０秒）
（ｄ）表面洗浄後、紫外線を光触媒ユニット２１を通して５分間照射したＳｉウエハ（以下、光触媒５分）

図６には、上記４種の試料のオージェスペクトルを測定した結果が示されている。（ａ）のオージェスペクトルでは、Ｓｉ（９２ｅＶ）のオージェシグナルが大きくでているが、（ｃ）（ｄ）のオージェスペクトルではＳｉ（９２ｅＶ）のオージェシグナルが小さくなっており、ＳｉＯ2のＳｉ（７６ｅＶ）のオージェシグナルが現れているのがわかる。これは、光触媒効果により試料表面が酸化され、Ｓｉオージェピークのケミカルシフトが起こったものと考えられる。このことから、「光触媒９０秒」、「光触媒５分」のＳｉウエハ表面では、Ｓｉの酸化が促進されていると考えられる。

図７は、前記４種の試料表面のオージェスペクトルの測定結果に基づいてＯ／Ｓｉで規格化して、Ｓｉウエハ表面の酸化状態の程度を示したものである。「表面洗浄のみ」、「ガラス５分」のＳｉウエハ表面に比べて、「光触媒９０秒」、「光触媒５分」のＳｉウエハ表面は、Ｏ／Ｓｉの値が大きいため酸化効率が高いと考えられる。

図８は、前記４種の試料表面のオージェスペクトルの測定結果に基づいてＣ／Ｏで規格化した結果を示している。「光触媒５分」のＣ／Ｏの値は、「表面洗浄のみ」のＣ／Ｏの値と同程度であるといえる。よって、光触媒ユニット２１を通して紫外線を照射することで、先ずＳｉウエハ表面の酸化が促進され、次に５分照射後では表面炭素汚染の除去が行われていると考えられる。

この低温酸化方法は、光照射によりＳｉ基板を低温酸化する方法の１つであるため、Ｓｉ基板と酸化ツール間での元素の拡散を防止できる。また、この方法による酸化膜は、通常の酸化膜をエッチングにより削除する方式と異なり、Ｓｉ表面と酸化膜表面が凹凸の少ない平面となるので、集積回路を作成する上で、その上にＳｉ膜等の形成や電極・配線形成が容易で、且つ信頼性の高い部品が作成できる。

尚、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましい或いは利点として記載されたものに対応したものを提供することをも含むものである。

実施形態に係る光触媒を示す概念図。実施形態に係る光触媒を製造するためのＲＦマグネトロンスパッタ装置を説明する説明図。実施形態に係る光触媒の可視光応答性能を説明する図。実施形態に係る光触媒の長期安定性（経時変化）を説明する図。実施形態に係る低温酸化方法を説明する説明図。４種の試料のオージェスペクトルを測定結果を示す図。４種の試料表面のオージェスペクトルの測定結果に基づいてＯ／Ｓｉで規格化して、Ｓｉウエハ表面の酸化状態の程度を示した図。４種の試料表面のオージェスペクトルの測定結果に基づいてＣ／Ｏで規格化した結果を示す図。

１光触媒
２基材
３第１触媒層
４第２触媒層
５ＲＦマグネトロンスパッタ装置
１３ターゲット
１８プラズマ
１９Ａｒ+
２０スパッタ粒子
２２被酸化部材

Claims

基材上に、該基材の外側に向けて順に、第１，第２触媒層が積層され、
前記第１触媒層が、酸素欠損状態とされたＴｉＯ2-x（xは、０＜x＜０．０２）をもって形成されていると共に、前記第２触媒層から前記基材方向に離れる側のＴｉＯ2-xの酸素欠損割合が該第２触媒層側のＴｉＯ2-xの酸素欠損割合に比して多くなる傾斜組成構造とされ、
前記第２触媒層が、ＴｉＯ2をもって形成されている光触媒の製造方法であって、
先ず、高周波マグネトロンスパッタ装置内に、薄膜を被着させるための基材と、ＴｉＯ2の焼結体からなるターゲットとをセットすると共に、該高周波マグネトロンスパッタ装置内を真空状態とし、
次に、前記高周波マグネトロンスパッタ装置内を、酸素を導入せず高純度希ガスだけを導入した状態とし、
次に、前記第１触媒層の形成工程として、無加熱状態の下で、前記希ガスをプラズマ化させてその正イオンを前記ターゲットに衝突させることにより、該ターゲットからのスパッタ粒子を前記基材表面に堆積させて、該基材表面に、アモルファス状態で酸素欠損状態の薄膜を形成し、
この後、前記第２触媒層の形成工程として、前記高周波マグネトロンスパッタ装置内に酸素を導入して、前記薄膜の表面だけを無加熱の状態で酸化させることにより、該薄膜の表面側にＴｉＯ2層を形成する、
ことを特徴とする光触媒の製造方法。
請求項１において、
前記希ガスをプラズマ化するための投入高周波電力を、前記スパッタ粒子がＴｉ−Ｏ結合を維持する状態に設定する、
ことを特徴とする光触媒の製造方法。