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
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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−[ＳｒＡｌ0.5Ｔａ0.5Ｏ3]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−[ＳｒＡｌ0.5Ｔａ0.5Ｏ3]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−[ＳｒＡｌ0.5Ｔａ0.5Ｏ3]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−Ａｌ2Ｏ3）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−Ａｌ2Ｏ3）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。
【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−[ＳｒＡｌ0.5Ｔａ0.5Ｏ3]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−[ＳｒＡｌ0.5Ｔａ0.5Ｏ3]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−[ＳｒＡｌ0.5Ｔａ0.5Ｏ3]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−Ａｌ2Ｏ3）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−Ａｌ2Ｏ3）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)
- 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− [ＳｒＡｌ0.5Ｔａ0.5Ｏ3]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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