JP4701447B2 - アナターゼ型結晶構造の酸化チタン単結晶薄膜の作製法 - Google Patents

アナターゼ型結晶構造の酸化チタン単結晶薄膜の作製法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナターゼ型結晶構造の二酸化チタン単結晶膜を作製する方法に関するものであり、二酸化チタンの薄膜を単結晶化することにより膜内の結晶欠陥などを軽減させ、光触媒反応効率なとの特性を向上させようとするものである。即ちその単結晶薄膜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二酸化チタン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、これまでの二酸化チタン薄膜にはルチル型およびアナターゼ型の二酸化チタン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】
二酸化チタンは高温側(800℃以上)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結晶構造の二酸化チタン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、アナターゼ型の二酸化チタン単結晶薄膜を作製する手段として、レーザアブレーション成膜法によりランタンアルミネート(LaAlO3)、酸化マグネシウム(MgO)、安定化ジルコニア(YSZ)、又はLSAT([LaAlO3])0.3−[SrAl0.5Ta0.53]0.7)単結晶基板上にアナターゼ型の二酸化チタンを基板温度、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】
本発明においては、金属チタンを低圧酸素ガス雰囲気で、レーザ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アナターゼ型の二酸化チタンの形態で蒸着させて、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】
【発明の実施の形態】
即ち、本発明は、低圧酸素雰囲気10mTorr〜100mTorr(好ましくは20mTorr〜70mTorr、最も好ましくは30mTorr〜40mTorr)でレーザアブレーション成膜法により、ランタンアルミネート(LaAlO3)、酸化マグネシウム(MgO)、安定化ジルコニア(YSZ)、又はLSAT([LaAlO3])0.3−[SrAl0.5Ta0.53]0.7)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二酸化チタンの単結晶薄膜を作製するものである。
【0008】
アナターゼ型の単結晶を形成させる基板温度は、360℃〜520℃(好ましくは400℃〜500℃、最も好ましくは450℃〜490℃)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。
【0009】
【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(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480℃に保持した各種の単結晶基板を設置し、2時間のレーザー照射で二酸化チタン膜を作製した。得られた二酸化チタン薄膜は厚さ0.2μmであった。
【0010】
ここで用いた単結晶基板は、(100)面のランタンアルミネート(LaAlO3)、(100)面の酸化マグネシウム(MgO)、(100)面の安定化ジルコニア(YSZ)、(100)面のLSAT([LaAlO3])0.3−[SrAl0.5Ta0.53]0.7)であり、各基板は鏡面研磨処理をしているものを使用した。これらの基板上の成膜した二酸化チタン薄膜をX線回折法により結晶構造の評価したところ、各基板と成膜した二酸化チタン薄膜の結晶方位関係は、
(100)面のLaAlO3基板上に(001)面のTiO2
(100)面のMgO基板上に(100)面のTiO2
(100)面のYSZ基板上に(001)面のTiO2
(100)面のLSAT基板上に(001)面のTiO2
であった。
【0011】
即ち、図1は、(100)面のLaAlO3単結晶基板上に成膜した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、LaAlO3(100)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。
【0012】
図2は、(100)面のMgO単結晶基板上に成膜したTiO2膜のX線回折(θ−2θ)図である。2θ:48.07°にあるピークはTiO2(200)からのピークであり、MgO(100)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。
【0013】
図3は(100)面のYSZ単結晶基板上に成膜した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、YSZ(100)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。
【0014】
図4は(100)面のLSAT単結晶基板上に成膜した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、LSAT(100)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。
【0015】
【比較例1】
実施例1と同様の条件で(110)面のLaAlO3、(110)面及び(111)面のMgO、単結晶基板に厚さ0.2μmの二酸化チタン膜を作製した。X線回折法によりこれらの二酸化チタン膜の結晶構造を評価したところ、多結晶のルチル型二酸化チタンであった。
【0016】
【比較例2】
実施例1と同様の条件で(100)面のLaAlO3単結晶基板の基板温度を350℃とし、厚さ0.2μmの二酸化チタン膜を作製した。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480℃で作製した二酸化チタン膜に比べて、半値幅が10%広くなった。即ち、基板温度を480℃から350℃に下げると二酸化チタン膜の結晶性が低下した。
【0017】
【比較例3】
実施例1と同様の条件で蒸着基板(0001)面のサファイア(α−Al23)とし、厚さ0.2μmの二酸化チタン膜を作製した。この二酸化チタン膜を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)が混合した二酸化チタン膜であった。
【0018】
さらに実施例1と同様な条件で基板温度を350℃、530℃とし、(0001)面のサファイア(α−Al23)基板上に二酸化チタン膜(厚さ0.2μm)を作製した。いずれのもアナターゼ型のTiO2(001)とルチル型のTiO2(001)が混合した二酸化チタン膜であった。
【0019】
【発明の効果】
単結晶で作製したアナターゼ型結晶構造の二酸化チタン膜は、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】図1は、(100)面のLaAlO3単結晶基板上に成膜したTiO2膜のX線回折(θ−2θ)図である。
【図2】図2は(100)面のMgO単結晶基板上に成膜したTiO2膜のX線回折(θ−2θ)図である。
【図3】図3は(100)面のYSZ単結晶基板上に成膜したTiO2膜のX線回折(θ−2θ)図である。
【図4】図4は(100)面のLSAT単結晶基板上に成膜したTiO2膜のX線回折(θ−2θ)図である。

Claims (1)

  1. 360℃〜520℃の基板温度及び10mTorr〜100mTorrの酸素ガス分圧の条件でのレーザアブレーション成膜法により、ランタンアルミネート(LaAlO3)、酸化マグネシウム(MgO)、安定化ジルコニア(YSZ)、LSAT([LaAlO3])0.3− [SrAl0.5Ta0.53]0.7)単結晶基板上にアナターゼ型結晶構造の二酸化チタン(TiO2)単結晶薄膜を作製する方法。
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