JP4883512B2 - 可視光応答型酸化チタン薄膜の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒薄膜を作製する方法に関するものであり、ＴｉＯ2の光応答波長領域を変化させることにより光触媒反応効率を向上させようとするものである。
【０００２】
【従来技術】
ＴｉＯ2の光触媒効果とは、紫外線（波長４００ｎｍ以下）照射されることによって表面で光化学反応が生じ、表面に接する有機物資や細菌等を分解、除菌する作用である。しかし太陽光の大部分は可視光（波長４００ｎｍ以上）であるため、紫外線を必要とする酸化チタン光触媒は十分な分解効率が得られないという欠点があり、自然光下もしくは屋内照明下においても高効率な光触媒を形成する方法が望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＴｉＯ2に遷移金属を添加することで、ＴｉＯ2の光応答領域をより可視光側へ拡張することにより、自然光下及び屋内照明下において高効率な光触媒薄膜を作製する方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決しようとするための手段】
本発明の可視光応答型ＴｉＯ2薄膜の作製方法は、レーザー蒸着法により製膜した数１０ｎｍの遷移金属（Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗ）層さらに数１００ｎｍ程度のＴｉＯ2薄膜を堆積させ、熱処理により相互拡散させることで可視光応答性をもった混合相を形成させるものである。
【０００５】
即ち、本発明は、遷移金属ターゲットをレーザー光により真空中で蒸発させて基板上に遷移金属薄膜を堆積させ、次に二酸化チタン（ＴｉＯ2）ターゲットをレーザー光により低圧酸素雰囲気中で蒸発させて遷移金属薄膜上に二酸化チタン薄膜を堆積させ、その後これらの堆積膜層を温度５００−８００℃に加熱して遷移金属を二酸化チタン薄膜中に熱拡散させることにより、可視光応答型酸化チタン薄膜を作製する方法である。本発明で得られた可視光応答型酸化チタン薄膜は、その光応答波長範囲が６００〜２５０ｎｍであった。
【０００６】
【発明の実施の形態】
ＴｉＯ2の光触媒反応の可視光応答性を付与する目的で、種々（Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｔａ，Ｗ）の金属元素をＴｉＯ2膜中に熱処理により添加することで試料を作成した。
【０００７】
まず、レーザー蒸着法で、Ａｌ2Ｏ3などの平滑な単結晶基板の上に高真空度（１０-6Ｔｏｒｒ以上）中で数１０ｎｍの金属薄膜を堆積させ、さらに低圧酸素雰囲気中（１０ｍ〜１００ｍＴｏｒｒ）でＴｉＯ2薄膜を数１００ｎｍ堆積させる。その後５００〜８００℃程度の熱処理により下部金属層を上部ＴｉＯ2層に拡散させる。
【０００８】
このように種々の金属を拡散させたＴｉＯ2薄膜の光伝導特性を測定すると、Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗを添加した試料で可視光応答を示した。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、ＴｉＯ2膜にＴａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗを拡散させたとき試料と、ＴｉＯ2のみの試料に対する光伝導特性の波長依存性である。ＴｉＯ2のみの試料は波長４００ｎｍ付近から急激に光伝導度が減少するのに対して、これら金属を拡散させた試料は４１０〜６００ｎｍ付近の長波長域においても著しく高い光伝導度を示していることがわかる。
【００１０】
【実施例１】
１パルス当たり１００ｍＪ、繰り返し周波数１０ＨｚのＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）を真空中に置いた金属タンタル（Ｔａ）ターゲットに直径１ｍｍに集光させて入射した。金属Ｔａターゲットより５ｃｍの距離に置いたα−ＡＬ2Ｏ3（０００１）基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を設置した。
【００１１】
５分のレーザー照射で厚さ１０ｎｍ程度のＴａを基板上に堆積させ、次にターゲットを酸化チタンターゲットに変更し、１時間のレーザー照射で厚さ２００ｎｍ程度のＴｉＯ2膜をＴａ膜上に堆積した。さらに８００℃ ６時間、大気中で熱処理をしてＴｉＯ2膜中にＴａを拡散させた。
【００１２】
この試料の光伝導度の波長依存性を調査した。その結果、入射光６００ｎｍ付近まで光応答を示し（図１中“ＴｉＯ2／Ｔａ”）、この領域は、バンドギャップが３０ｅＶ以上である”ＴｉＯ2のみ”では、通常光応答が観測されない領域である。
【００１３】
【実施例２】
実施例１と同手法でその他、下部金属層としてＣｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｗを用いて試料を作成し、光伝導度の入射光依存性を測定した。金属層を下部に持たないＴｉＯ2薄膜（図中“ＴｉＯ2のみ”）と比較して、そのうちＮｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗを拡散させた薄膜において、特に長波長側（４１０〜６００ｎｍ）で大幅に光伝導度が上昇した。
【００１４】
その結果を図１に示す。光伝導度の増加量は金属を添加しなかったＴｉＯ2と比較して、波長５０ｎｍにおいてＮｂ（約１２万倍）、Ｃｒ（約１６万倍）、Ｚｒ（２５００倍）、Ｗ（８８０倍）であった。
【００１５】
【発明の効果】
可視光応答型のＴｉＯ2は、本来紫外光（波長４００ｎｍ以下）が必要だった光触媒反応が可視光域（〜６００ｎｍ）においてもその活性が期待できる。これは、太陽光スペクトラムをその光源として仮定した場合、反応に利用できる光量が飛躍的に増大（数十倍以上）することを意味しており、大幅に触媒効率が上昇することを意味している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＴｉＯ2膜にＴａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗを拡散させたとき試料と、ＴｉＯ2のみの試料に対する光伝導特性の波長依存性である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒薄膜を作製する方法に関するものであり、ＴｉＯ2の光応答波長領域を変化させることにより光触媒反応効率を向上させようとするものである。
【０００２】
【従来技術】
ＴｉＯ2の光触媒効果とは、紫外線（波長４００ｎｍ以下）照射されることによって表面で光化学反応が生じ、表面に接する有機物資や細菌等を分解、除菌する作用である。しかし太陽光の大部分は可視光（波長４００ｎｍ以上）であるため、紫外線を必要とする酸化チタン光触媒は十分な分解効率が得られないという欠点があり、自然光下もしくは屋内照明下においても高効率な光触媒を形成する方法が望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＴｉＯ2に遷移金属を添加することで、ＴｉＯ2の光応答領域をより可視光側へ拡張することにより、自然光下及び屋内照明下において高効率な光触媒薄膜を作製する方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決しようとするための手段】
本発明の可視光応答型ＴｉＯ2薄膜の作製方法は、レーザー蒸着法により製膜した数１０ｎｍの遷移金属（Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗ）層さらに数１００ｎｍ程度のＴｉＯ2薄膜を堆積させ、熱処理により相互拡散させることで可視光応答性をもった混合相を形成させるものである。
【０００５】
即ち、本発明は、遷移金属ターゲットをレーザー光により真空中で蒸発させて基板上に遷移金属薄膜を堆積させ、次に二酸化チタン（ＴｉＯ2）ターゲットをレーザー光により低圧酸素雰囲気中で蒸発させて遷移金属薄膜上に二酸化チタン薄膜を堆積させ、その後これらの堆積膜層を温度５００−８００℃に加熱して遷移金属を二酸化チタン薄膜中に熱拡散させることにより、可視光応答型酸化チタン薄膜を作製する方法である。本発明で得られた可視光応答型酸化チタン薄膜は、その光応答波長範囲が６００〜２５０ｎｍであった。
【０００６】
【発明の実施の形態】
ＴｉＯ2の光触媒反応の可視光応答性を付与する目的で、種々（Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｔａ，Ｗ）の金属元素をＴｉＯ2膜中に熱処理により添加することで試料を作成した。
【０００７】
まず、レーザー蒸着法で、Ａｌ2Ｏ3などの平滑な単結晶基板の上に高真空度（１０-6Ｔｏｒｒ以上）中で数１０ｎｍの金属薄膜を堆積させ、さらに低圧酸素雰囲気中（１０ｍ〜１００ｍＴｏｒｒ）でＴｉＯ2薄膜を数１００ｎｍ堆積させる。その後５００〜８００℃程度の熱処理により下部金属層を上部ＴｉＯ2層に拡散させる。
【０００８】
このように種々の金属を拡散させたＴｉＯ2薄膜の光伝導特性を測定すると、Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗを添加した試料で可視光応答を示した。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、ＴｉＯ2膜にＴａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗを拡散させたとき試料と、ＴｉＯ2のみの試料に対する光伝導特性の波長依存性である。ＴｉＯ2のみの試料は波長４００ｎｍ付近から急激に光伝導度が減少するのに対して、これら金属を拡散させた試料は４１０〜６００ｎｍ付近の長波長域においても著しく高い光伝導度を示していることがわかる。
【００１０】
【実施例１】
１パルス当たり１００ｍＪ、繰り返し周波数１０ＨｚのＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）を真空中に置いた金属タンタル（Ｔａ）ターゲットに直径１ｍｍに集光させて入射した。金属Ｔａターゲットより５ｃｍの距離に置いたα−ＡＬ2Ｏ3（０００１）基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を設置した。
【００１１】
５分のレーザー照射で厚さ１０ｎｍ程度のＴａを基板上に堆積させ、次にターゲットを酸化チタンターゲットに変更し、１時間のレーザー照射で厚さ２００ｎｍ程度のＴｉＯ2膜をＴａ膜上に堆積した。さらに８００℃ ６時間、大気中で熱処理をしてＴｉＯ2膜中にＴａを拡散させた。
【００１２】
この試料の光伝導度の波長依存性を調査した。その結果、入射光６００ｎｍ付近まで光応答を示し（図１中“ＴｉＯ2／Ｔａ”）、この領域は、バンドギャップが３０ｅＶ以上である”ＴｉＯ2のみ”では、通常光応答が観測されない領域である。
【００１３】
【実施例２】
実施例１と同手法でその他、下部金属層としてＣｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｗを用いて試料を作成し、光伝導度の入射光依存性を測定した。金属層を下部に持たないＴｉＯ2薄膜（図中“ＴｉＯ2のみ”）と比較して、そのうちＮｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗを拡散させた薄膜において、特に長波長側（４１０〜６００ｎｍ）で大幅に光伝導度が上昇した。
【００１４】
その結果を図１に示す。光伝導度の増加量は金属を添加しなかったＴｉＯ2と比較して、波長５０ｎｍにおいてＮｂ（約１２万倍）、Ｃｒ（約１６万倍）、Ｚｒ（２５００倍）、Ｗ（８８０倍）であった。
【００１５】
【発明の効果】
可視光応答型のＴｉＯ2は、本来紫外光（波長４００ｎｍ以下）が必要だった光触媒反応が可視光域（〜６００ｎｍ）においてもその活性が期待できる。これは、太陽光スペクトラムをその光源として仮定した場合、反応に利用できる光量が飛躍的に増大（数十倍以上）することを意味しており、大幅に触媒効率が上昇することを意味している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＴｉＯ2膜にＴａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗを拡散させたとき試料と、ＴｉＯ2のみの試料に対する光伝導特性の波長依存性である。
Claims (2)
- レーザー蒸着法により、基板上に遷移金属の薄膜を堆積させ、次に当該遷移金属の薄膜上に二酸化チタン薄膜を堆積させ、その後これらの堆積膜を加熱して該二酸化チタン薄膜に該遷移金属を熱拡散させることで、可視光応答型酸化チタン薄膜を作製する方法。
- 前記光応答波長が６００〜２５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の可視光応答型酸化チタン薄膜の作製方法。
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| JP2000213589A JP4883512B2 (ja) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | 可視光応答型酸化チタン薄膜の作製方法 |
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- 2000-07-14 JP JP2000213589A patent/JP4883512B2/ja not_active Expired - Fee Related
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