JP5194427B2 - Photocatalytic tungsten oxide thin film - Google Patents
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Description
本発明は、酸化タングステン(WO3)薄膜に係り、特に、ガスフロースパッタリングによる高速成膜で形成された可視光応答光触媒機能を有する酸化タングステン薄膜に関する。 The present invention relates to a tungsten oxide (WO 3 ) thin film, and particularly to a tungsten oxide thin film having a visible light responsive photocatalytic function formed by high-speed film formation by gas flow sputtering.
酸化タングステンは優れた光触媒材料であり、その有機物分解機能や超親水性などの機能により、脱臭、水浄化、防汚、セルフクリーニング(自己浄化)、抗菌、抗ウィルス、抗カビ、殺菌など様々な分野への適用が試みられている。特に結晶性の酸化タングステンは可視光にて触媒活性を示す可視光応答性を有することから、屋外のみならず屋内での使用についても期待される。 Tungsten oxide is an excellent photocatalytic material, and it has various functions such as deodorization, water purification, antifouling, self-cleaning (self-cleaning), antibacterial, antiviral, antifungal, sterilization, etc. Application to the field is being attempted. In particular, crystalline tungsten oxide is expected to be used not only outdoors but also indoors because it has visible light responsiveness showing catalytic activity in visible light.
酸化タングステンを光触媒材料に適用する場合、単独で使用されることは稀であり、通常は何らかの基材表面に薄膜状に固定化されて使用される。この際、スパッタリングは、あらゆる基材表面に密着力良く酸化タングステン薄膜を形成することが可能である等の特長を有し、酸化タングステン薄膜の形成方法として優れている。 When tungsten oxide is applied to the photocatalytic material, it is rarely used alone, and it is usually used by being fixed in a thin film on the surface of some substrate. At this time, sputtering has a feature that a tungsten oxide thin film can be formed on any substrate surface with good adhesion, and is excellent as a method for forming a tungsten oxide thin film.
しかしながら、通常のスパッタリング(DCマグネトロンスパッタリング)で、Wターゲットを用い、酸素を導入しながら行う反応性スパッタリングにおいて透明な酸化タングステン薄膜を形成するには、いわゆる酸化物モードでの成膜となり、成膜速度が10nm/min程度と極めて低速な成膜となってしまう。このような低速の成膜速度では工業的に使用に耐えるものではない。 However, in order to form a transparent tungsten oxide thin film in a reactive sputtering performed using normal sputtering (DC magnetron sputtering) using a W target and introducing oxygen, the film is formed in a so-called oxide mode. The film formation is extremely slow at a speed of about 10 nm / min. Such a low film formation rate does not endure industrial use.
また、従来のスパッタリングでは成膜速度が遅いこと以外に、基板を600℃程度あるいはそれ以上に加熱しながら成膜した場合にのみ可視光応答性を示し、低温で成膜した後に後焼成をした場合には可視光応答性を示さないことも、製造方法に制限がかかる点で問題である。 In addition to the slow deposition rate in conventional sputtering, visible light responsiveness was exhibited only when the substrate was deposited while being heated to about 600 ° C. or higher, and post-baking was performed after deposition at a low temperature. In some cases, the lack of visible light response is also a problem in that the manufacturing method is limited.
このように、通常のスパッタリングによる酸化タングステン薄膜の形成では、成膜速度が遅い;基板を600℃程度あるいはそれ以上に加熱しながら成膜した場合にのみ可視光応答性を示し、低温で成膜した後に後焼成をした場合には可視光応答性を示さない;といった欠点があるが、更に、通常のスパッタリングでは、真空チャンバー内を高真空状態に排気するために大掛かりな排気装置や高機能の制御機器が必要となるため、高額な設備を必要とするという欠点もある。 As described above, in the formation of a tungsten oxide thin film by normal sputtering, the film formation rate is low; only when the film is formed while heating the substrate to about 600 ° C. or higher, visible light responsiveness is exhibited, and film formation is performed at a low temperature. However, when post-firing is not performed, visible light responsiveness is not exhibited; however, in general sputtering, in order to exhaust the inside of the vacuum chamber to a high vacuum state, a large exhaust device or a high function is required. Since a control device is required, there is a disadvantage that expensive equipment is required.
このような通常のスパッタリングに対して、ガスフロースパッタリングが知られており、本出願人は先に、ガスフロースパッタリングを、固体高分子型燃料電池用電極の触媒層や、色素増感型太陽電池用半導体電極層の形成に応用する技術を提案している(特許文献1〜3)。 Gas flow sputtering is known for such normal sputtering, and the applicant of the present application previously performed gas flow sputtering on a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell electrode or a dye-sensitized solar cell. Have proposed a technology applied to the formation of a semiconductor electrode layer for use (Patent Documents 1 to 3).
ガスフロースパッタリングは、比較的高い圧力下でスパッタリングを行い、スパッタ粒子をAr等のガスの強制流により成膜対象基材まで輸送して堆積させる方法である。このガスフロースパッタリングは高真空排気が不要であることから、従来の通常のスパッタリングのような大掛かりな排気装置を用いることなく、メカニカルなポンプ排気で成膜することが可能であり、従って安価な設備で実施できる。しかも、ガスフロースパッタリングは、通常のスパッタリングの10〜1000倍の高速成膜が可能である。更に、ターゲット背面に磁石を必要としないために、ターゲット背面に磁石を必要とする通常のスパッタリングではターゲットの利用効率が20〜30%程度であるのに対して、ガスフロースパッタリングではターゲットの利用効率が90%以上と非常に高い。従って、ガスフロースパッタリングによれば、設備費の低減、成膜時間の短縮、ターゲット利用効率の向上により、成膜コストを大幅に低減することが可能となる。
前述の如く、光触媒材料としての酸化タングステン薄膜の成膜に当たり、従来採用されているスパッタリングでは、成膜速度が遅い;基板を600℃程度あるいはそれ以上に加熱しながら成膜した場合にのみ可視光応答性を示し、低温で成膜した後に後焼成をした場合には可視光応答性を示さない;高額な設備を必要とし、ターゲットの利用効率も悪く、成膜コストが高くつく;といった欠点があり、従来、高速成膜にて光触媒活性を有する酸化タングステン薄膜を安価に製造する方法は提供されていなかった。 As described above, when forming a tungsten oxide thin film as a photocatalyst material, the conventionally used sputtering has a slow film formation speed; visible light only when the film is formed while heating the substrate to about 600 ° C. or higher. Shows responsiveness and does not show visible light responsiveness when post-baking after film formation at low temperature; it requires expensive equipment, poor target utilization efficiency and high film formation cost; In the past, there has not been provided a method for producing a tungsten oxide thin film having photocatalytic activity at high cost at low cost.
従って、本発明は、高速成膜にて安価に成膜された光触媒酸化タングステン薄膜を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a photocatalytic tungsten oxide thin film formed at low cost by high-speed film formation.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、ガスフロースパッタリングを採用することにより、酸化タングステン薄膜を高速成膜にて安価に成膜することができること、更には基板を加熱しながら成膜する場合と成膜された酸化タングステン薄膜を後焼成する場合のいずれにおいても、優れた可視光応答光触媒活性を有する酸化タングステン薄膜を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have been able to form a tungsten oxide thin film at a low cost by high-speed film formation by employing gas flow sputtering, and further, by heating the substrate. The present invention was completed by finding that a tungsten oxide thin film having excellent visible light responsive photocatalytic activity can be obtained both in the case of forming a film and in the case of post-baking the formed tungsten oxide thin film.
即ち、本発明は以下を要旨とする。 That is, the gist of the present invention is as follows.
請求項1の酸化タングステン薄膜は、ガスフロースパッタリングにより成膜されてなる酸化タングステン薄膜であって、加熱基材上に成膜され、アズデポジッションで光触媒活性を示すことを特徴とするものである。 The tungsten oxide thin film according to claim 1 is a tungsten oxide thin film formed by gas flow sputtering, and is formed on a heating base material and exhibits photocatalytic activity by as-deposition. .
請求項2の酸化タングステン薄膜は、請求項1において、ターゲットとして金属タングステンを用い、酸素ガスを導入する反応性スパッタリングで成膜されてなることを特徴とするものである。 A tungsten oxide thin film according to a second aspect is characterized in that the tungsten oxide thin film according to the first aspect is formed by reactive sputtering using metallic tungsten as a target and introducing oxygen gas.
請求項3の酸化タングステン薄膜は、請求項1又は2において、基材として、ガラス板、金属板、金属箔又はセラミックス板を用いたことを特徴とするものである。 Tungsten oxide thin film according to claim 3, in claim 1 or 2, as a substrate, a glass plate, metal plate, is characterized in that a metal foil or a ceramic plate.
請求項4の酸化タングステン薄膜は、請求項1ないし3のいずれか1項において、ガスフロースパッタリングにおける成膜圧力が5〜200Paであることを特徴とするものである。 A tungsten oxide thin film according to claim 4 is characterized in that, in any one of claims 1 to 3 , the film forming pressure in gas flow sputtering is 5 to 200 Pa.
請求項5の酸化タングステン薄膜は、請求項1ないし4のいずれか1項において、アルゴンガスと酸素ガスとを別々に導入するガスフロースパッタリングにより成膜されてなることを特徴とするものである。 A tungsten oxide thin film according to a fifth aspect is characterized in that, in any one of the first to fourth aspects, the tungsten oxide thin film is formed by gas flow sputtering in which argon gas and oxygen gas are separately introduced.
請求項6の酸化タングステン薄膜は、請求項1ないし5のいずれか1項において、矩形ターゲットを向き合わせる形に配置したカソード構造を有するガスフロースパッタリング装置で成膜されてなることを特徴とするものである。 A tungsten oxide thin film according to claim 6 is formed by a gas flow sputtering apparatus having a cathode structure in which a rectangular target is arranged to face each other according to any one of claims 1 to 5. It is.
請求項7の酸化タングステン薄膜は、請求項1ないし6のいずれか1項において、ガスフロースパッタリングにより100nm/min以上の成膜速度で成膜されてなることを特徴とするものである。 A tungsten oxide thin film according to a seventh aspect is characterized in that, in any one of the first to sixth aspects, the tungsten oxide thin film is formed at a film formation rate of 100 nm / min or more by gas flow sputtering.
請求項8の酸化タングステン薄膜は、請求項1ないし7のいずれか1項において、ガスフロースパッタリングによる成膜後、焼成されてなることを特徴とするものである。 A tungsten oxide thin film according to an eighth aspect is characterized in that, in any one of the first to seventh aspects, the film is fired after film formation by gas flow sputtering.
請求項9の酸化タングステン薄膜は、請求項8において、焼成条件が400〜900℃であることを特徴とするものである。 The tungsten oxide thin film according to claim 9 is characterized in that, in claim 8 , the firing condition is 400 to 900 ° C.
ガスフロースパッタリングは、比較的高い圧力下でスパッタリングを行い、スパッタ粒子をガスの強制流により成膜対象基板まで輸送して堆積させる方法である。このガスフロースパッタリングは、高真空排気が不要であることから、従来の通常のスパッタリングのような大掛かりな排気装置を用いることなく、メカニカルなポンプ排気で成膜することが可能であり、従って、安価な設備で実施できる。しかも、ガスフロースパッタリングは、通常のスパッタリングの10〜1000倍の高速成膜が可能である上に、ターゲットの利用効率も高い。従って、本発明によれば、ガスフロースパッタリングを採用することによる設備費の低減、成膜時間の短縮、成膜効率の向上により、酸化タングステン薄膜を安価に成膜することが可能となる。しかも、ガスフロースパッタリングでは、DCマグネトロンスパッタリングと異なり、ターゲットの背面に磁石を必要としない。従って、ターゲットの利用効率が90%以上と非常に高く、低コスト化に有利である。(DCマグネトロンスパッタリング:20〜30%)
しかも、ガスフロースパッタリングであれば、基材加熱を行う場合の他に、基板を加熱せずに成膜した後に焼成を行う場合であっても、光触媒活性の高い酸化タングステン薄膜を成膜することができる。また、成膜された酸化タングステン薄膜の基材に対する密着性も良好であるため、高品質の酸化タングステン薄膜を製造することができる。
Gas flow sputtering is a method in which sputtering is performed under a relatively high pressure, and sputtered particles are transported to a deposition target substrate by a forced flow of gas and deposited. Since this gas flow sputtering does not require high vacuum evacuation, it is possible to form a film by mechanical pump evacuation without using a large evacuation device such as conventional ordinary sputtering, and therefore inexpensive. It can be implemented with simple equipment. In addition, gas flow sputtering can form a film at a
Moreover, in the case of gas flow sputtering, a tungsten oxide thin film having a high photocatalytic activity can be formed even in the case of performing baking after forming a film without heating the substrate in addition to heating the substrate. Can do. Further, since the adhesion of the formed tungsten oxide thin film to the base material is good, a high quality tungsten oxide thin film can be manufactured.
なお、本発明による効果が得られる作用機構の詳細は次の通りである。 In addition, the detail of the action mechanism in which the effect by this invention is acquired is as follows.
通常のスパッタリング法では、Wターゲットを用いて酸化タングステンを成膜する際に、酸素をある程度導入した時点でターゲット表面が酸化されて、成膜される薄膜は透明な酸化タングステン薄膜となるが、成膜速度も非常に遅くなってしまう。一方で、ガスフロースパッタリングでは圧力が2桁程度高く、ターゲット表面をアルゴンガスの強制流が流れ、ターゲット表面に酸素ガスが拡散してくるのを防ぎ、ターゲット表面を酸化させることなく常にフレッシュなメタル状態に維持しつつスパッタリングし、スパッタ粒子をアルゴンの強制流にて基板上まで輸送し、基板上で酸素ガスにより酸化させることが可能である。これにより十分な酸素を導入しても通常のスパッタリングのように酸化物モードになって成膜速度が低下することはなく、酸化タングステン薄膜の高速成膜が可能となる。高速成膜のレベルとしては、通常のDCマグネトロンスパッタリング法を用いた場合と比較して、酸化タングステン薄膜の密度が同一でないことや成膜圧力などの条件により成膜速度が変化するために単純に比較することはできないが、同一電力密度を印加した場合には20倍以上の成膜速度が得られる。例えば4W/cm2の電力印加にて、DCマグネトロンスパッタリング法では約9nm/min、ガスフロースパッタリングでは約200nm/minの成膜速度が可能である。 In a normal sputtering method, when a tungsten oxide film is formed using a W target, the target surface is oxidized when oxygen is introduced to some extent, and the formed thin film becomes a transparent tungsten oxide thin film. The film speed is also very slow. On the other hand, in gas flow sputtering, the pressure is about two orders of magnitude higher, a forced flow of argon gas flows through the target surface, preventing oxygen gas from diffusing to the target surface, and always fresh metal without oxidizing the target surface. Sputtering while maintaining the state, the sputtered particles can be transported onto the substrate with a forced flow of argon, and oxidized on the substrate with oxygen gas. As a result, even when sufficient oxygen is introduced, the film formation speed does not decrease due to the oxide mode unlike normal sputtering, and the tungsten oxide thin film can be formed at high speed. As the level of high-speed film formation, compared with the case of using the normal DC magnetron sputtering method, the density of the tungsten oxide thin film is not the same and the film formation speed changes depending on conditions such as film formation pressure. Although it cannot be compared, when the same power density is applied, a film formation rate of 20 times or more can be obtained. For example, when a power of 4 W / cm 2 is applied, a film formation rate of about 9 nm / min in the DC magnetron sputtering method and about 200 nm / min in the gas flow sputtering can be achieved.
また、導入する酸素量やその他の条件により触媒活性の高さが異なるが、ガスフロースパッタリングでは酸素導入量により急激に成膜速度が低下するなどのモードの変化もなく、良好な光触媒活性を有する条件を容易に見つけ出すことができる。酸素導入量が多いほど光触媒活性は高い傾向にあるが、極度の酸素導入量増大はターゲット表面でのアーキングを誘発するため、これらの問題が生じない範囲で酸素流量は適宜変更することができる。 Also, although the catalytic activity height varies depending on the amount of oxygen introduced and other conditions, gas flow sputtering has good photocatalytic activity without any mode change such as a rapid decrease in film formation rate due to the amount of oxygen introduced. You can easily find the conditions. Although the photocatalytic activity tends to be higher as the amount of introduced oxygen increases, an extreme increase in the amount of introduced oxygen induces arcing on the target surface. Therefore, the oxygen flow rate can be appropriately changed within a range where these problems do not occur.
このようにガスフロースパッタ法では可視光応答光触媒活性を有する酸化タングステンの高速成膜ができることが特徴であるが、更にはガスフロースパッタ法にて作製した酸化タングステン薄膜は、基板加熱によるアズテポ結晶化以外に、後焼成による結晶化プロセスであっても良好な可視光応答光触媒活性を示すという発明を得た。この理由については現在明らかとなっていないが、ガスフロースパッタ成膜された酸化タングステン薄膜には、後の焼成プロセスで結晶の核となるためのナノ結晶が形成されている可能性が考えられる。 As described above, the gas flow sputtering method is characterized by high-speed film formation of tungsten oxide having visible light responsive photocatalytic activity. Furthermore, the tungsten oxide thin film prepared by the gas flow sputtering method is crystallized by aztepo crystallization by heating the substrate. In addition, an invention was obtained in which good visible light responsive photocatalytic activity was exhibited even in a crystallization process by post-calcination. Although the reason for this has not been clarified at present, it is possible that the tungsten oxide thin film formed by gas flow sputtering has the possibility of forming nanocrystals to serve as crystal nuclei in the subsequent firing process.
以下に本発明の酸化タングステン薄膜の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the tungsten oxide thin film of the present invention will be described in detail.
まず、図1を参照して、本発明で採用するガスフロースパッタリングによる成膜方法について説明する。 First, with reference to FIG. 1, the film-forming method by gas flow sputtering employ | adopted by this invention is demonstrated.
図1(a)は、本発明の実施に好適なガスフロースパッタリング装置の概略的な構成を示す模式図であり、図1(b)は、図1(a)のターゲット及びバックプレート構成を示す斜視図である。 FIG. 1A is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas flow sputtering apparatus suitable for the implementation of the present invention, and FIG. 1B shows a target and back plate configuration of FIG. It is a perspective view.
ガスフロースパッタリング装置では、スパッタガス導入口11からチャンバー20内にアルゴン等の希ガス等を導入し、DC電源等の電源12に接続されたアノード13及びカソードとなるターゲット15間での放電で発生したプラズマによりターゲット15をスパッタリングし、はじき飛ばされたスパッタ粒子をアルゴン等の希ガス等の強制流にて基板16まで輸送し堆積させる。なお、図示例において、基板16はホルダー17に支持されており、基板16の近傍には反応性ガスの導入口18が配置されており、反応性スパッタリングリングを行うことが可能である。14は水冷バッキングプレートである。
In the gas flow sputtering apparatus, a rare gas such as argon is introduced into the
本発明においては、このようなガスフロースパッタリング装置を用いて、酸化タングステン薄膜を成膜する。 In the present invention, a tungsten oxide thin film is formed using such a gas flow sputtering apparatus.
ガスフロースパッタリングによる酸化タングステン薄膜の成膜は、金属Wをターゲットとし、酸素ガスを導入しながら行う反応性スパッタリングにより行う。 Formation of the tungsten oxide thin film by gas flow sputtering is performed by reactive sputtering with metal W as a target and oxygen gas being introduced.
用いるターゲットの形状には特に制限はなく、円筒形のターゲットや矩形板状のターゲットなど任意の形状のターゲットを用いることができるが、加工費が安いことから、矩形板状のターゲットを用い、これらを図1のように向かい合わせた方式とすることが好ましい。また、ガスフロースパッタリングは、図1に示す如く、酸素ガスとアルゴンガスとを別々に導入して行うことが高速成膜及び安定放電の点で好ましく、また、この方式では、基材を搬送しながら連続的に成膜したり、シート状基材を一方のロールから送り出して他方のロールに巻き取るようにして成膜して、ターゲット長さを長くすることで容易に成膜効率を高めることができる。 The shape of the target to be used is not particularly limited, and a target having an arbitrary shape such as a cylindrical target or a rectangular plate target can be used. However, since the processing cost is low, a rectangular plate target is used. Is preferably a face-to-face system as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 1, gas flow sputtering is preferably performed by separately introducing oxygen gas and argon gas in terms of high-speed film formation and stable discharge. In this method, the substrate is transported. While forming a film continuously, it is possible to form a film by feeding a sheet-shaped substrate from one roll and winding it on the other roll, and easily increase the film formation efficiency by increasing the target length. Can do.
基材としては耐熱性基材が用いられ、例えば、ガラス板、金属板、金属箔、又はセラミックス板等を用いることができる。ここで、金属板、金属箔の金属としては、Al,Cu,Au,Fe,Ni等、或いはこれらを含む合金(例えばSUS)等が挙げられる。また、セラミックスとしてはジルコニア、アルミナ、イットリア、炭化珪素、窒化珪素等が挙げられる。 As the substrate, a heat resistant substrate is used, and for example, a glass plate, a metal plate, a metal foil, a ceramic plate, or the like can be used. Here, as a metal of a metal plate and a metal foil, Al, Cu, Au, Fe, Ni, etc., or an alloy (for example, SUS) containing these, etc. are mentioned. Examples of ceramics include zirconia, alumina, yttria, silicon carbide, silicon nitride, and the like.
成膜時に基材加熱を行うことにより、成膜される薄膜が結晶性薄膜になる。ここで、加熱温度は400〜900℃であることが好ましく、特に500〜800℃であることが好ましい。400℃未満であると十分に結晶化されない。900℃より高いと、使用可能な基板が制限される、加熱機構が高コストなものが必要になる等の問題が生じる。 By performing substrate heating during film formation, the thin film to be formed becomes a crystalline thin film. Here, the heating temperature is preferably 400 to 900 ° C, particularly preferably 500 to 800 ° C. If it is less than 400 ° C., it will not be sufficiently crystallized. When the temperature is higher than 900 ° C., there is a problem that usable substrates are limited and that a heating mechanism with a high cost is required.
成膜時に基材加熱を行わず、非加熱基材で成膜した薄膜は、アズデポジッションの状態(薄膜に対して後焼成などの後処理を施さない、成膜直後の状態)において、アモルファス薄膜である。この非加熱基材で成膜した薄膜を焼成することにより、結晶性薄膜になる。この焼成条件としては、焼成温度が400〜900℃特に500〜800℃であることが好ましい。400℃未満であると十分に結晶化されない。900℃より高いと、使用可能な基板が制限される、加熱機構が高コストなものが必要になる等の問題が生じる。 The thin film formed with the non-heated base material is not heated at the time of film formation and is amorphous in the as-deposited state (the state immediately after film formation without post-baking or other post-treatment on the thin film). It is a thin film. By baking the thin film formed with this non-heated substrate, a crystalline thin film is obtained. As the firing conditions, the firing temperature is preferably 400 to 900 ° C, particularly 500 to 800 ° C. If it is less than 400 ° C., it will not be sufficiently crystallized. When the temperature is higher than 900 ° C., there is a problem that usable substrates are limited and that a heating mechanism with a high cost is required.
なお、成膜に用いる基材には、必要に応じて珪素(Si)の酸化物、窒化物、酸窒化物等の下地層を形成しても良い。 Note that an underlayer such as an oxide, nitride, or oxynitride of silicon (Si) may be formed on the base material used for film formation, if necessary.
ガスフロースパッタリング時の成膜圧力は、高過ぎると成膜速度が低下し、またアークが起きやすく不安定になり、低過ぎると放電電圧が高くなり、放電維持が困難であることから、5〜200Pa、特に10〜120Paであることが好ましい。 If the film formation pressure during gas flow sputtering is too high, the film formation rate decreases, and arcing easily occurs and becomes unstable. If it is too low, the discharge voltage increases and it is difficult to maintain the discharge. It is preferably 200 Pa, particularly 10 to 120 Pa.
その他のガスフロースパッタリング条件、例えば酸素ガス流量やアルゴンガス流量、投入電力、ターゲット基材間距離等は装置型式により異なるため、一概に数値を挙げることはできないが、図1のような型式の装置であれば、通常
電力密度:1〜25W/cm2
アルゴンガス流量:0.5〜30SLM
酸素ガス流量:5〜120sccm
ターゲット基材間距離:5〜15cm
といった条件を採用することができる。
Other gas flow sputtering conditions, such as oxygen gas flow rate and argon gas flow rate, input power, target base material distance, etc., vary depending on the device type, so it is not possible to enumerate numerical values. If so, normal power density: 1 to 25 W / cm 2
Argon gas flow rate: 0.5-30 SLM
Oxygen gas flow rate: 5 to 120 sccm
Target substrate distance: 5-15cm
These conditions can be adopted.
ここで、高い成膜速度と放電安定性、形成される酸化タングステン薄膜の光触媒活性に応じて、これらの条件を設定する。 Here, these conditions are set according to the high film formation rate and discharge stability, and the photocatalytic activity of the formed tungsten oxide thin film.
本発明によれば成膜速度100nm/min以上の高速成膜が可能である。なお、ここで成膜速度とは1分間に成長する膜の厚みの値である。 According to the present invention, high-speed film formation at a film formation speed of 100 nm / min or more is possible. Here, the film formation rate is the value of the thickness of the film grown in one minute.
このようにして得られる酸化タングステン薄膜は、基材無加熱成膜後に焼成した状態で、後述の実施例の項に挙げたアセトアルデヒドの分解活性評価試験において、120分の可視光照射で10ppm以上好ましくは15ppm以上の濃度低下となるような触媒活性を示す。 The tungsten oxide thin film thus obtained is preferably 10 ppm or more by visible light irradiation for 120 minutes in the acetaldehyde decomposition activity evaluation test listed in the Examples section below, in a state where it is baked after non-heated film formation on the substrate. Indicates a catalytic activity that results in a concentration drop of 15 ppm or more.
また、基板加熱成膜後の状態で、実施例の項に挙げたアセトアルデヒドの分解活性評価試験において、120分の可視光照射で15ppm以上好ましくは20ppm以上の濃度低下となるような触媒活性を示す。 In the state after the substrate heating film formation, in the acetaldehyde decomposition activity evaluation test listed in the example section, the catalytic activity is such that the concentration is reduced by 15 ppm or more, preferably 20 ppm or more by visible light irradiation for 120 minutes. .
また、前述の如く、ガスフロースパッタリング成膜によれば、酸素欠陥が極めて少ない、化学量論比に近い酸化タングステンが形成可能であることから、本発明によれば、WOxでxが3又は3に近い酸化タングステン薄膜を成膜することができる。 Further, as described above, according to the gas flow sputtering film formation, tungsten oxide having very few oxygen defects and close to the stoichiometric ratio can be formed. Therefore, according to the present invention, x is 3 or WO x A tungsten oxide thin film close to 3 can be formed.
このような本発明の光触媒酸化タングステン薄膜は、その優れた光触媒活性に基く有機物分解や超親水性などの機能により、脱臭、水浄化、防汚、セルフクリーニング(自己浄化)、抗菌、抗ウィルス、抗カビ、殺菌など様々な分野への適用が可能である。 Such a photocatalytic tungsten oxide thin film of the present invention has a function of deodorizing, water purification, antifouling, self-cleaning (self-cleaning), antibacterial, antiviral, It can be applied to various fields such as antifungal and sterilization.
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the following examples as long as the gist thereof is not exceeded.
なお、以下の実施例及び比較例では、成膜された酸化タングステン薄膜の光触媒活性を、アセトアルデヒドの分解活性を調べることにより評価したが、これは、次の理由による。即ち、光触媒の機能として親水性の評価も広く行われているが、アセトアルデヒドを分解できない程度の光触媒活性の低い試料であっても、可視光照射により接触角5度以下の超親水を示す場合があるため、より高い光触媒活性が必要なアセトアルデヒドの分解活性を以下の方法で調べることにより、光触媒活性を評価した。 In the following Examples and Comparative Examples, the photocatalytic activity of the formed tungsten oxide thin film was evaluated by examining the decomposition activity of acetaldehyde, for the following reason. That is, hydrophilicity is widely evaluated as a function of the photocatalyst, but even a sample with low photocatalytic activity that cannot decompose acetaldehyde may exhibit superhydrophilicity with a contact angle of 5 degrees or less by irradiation with visible light. Therefore, the photocatalytic activity was evaluated by examining the decomposition activity of acetaldehyde which requires higher photocatalytic activity by the following method.
[アセトアルデヒドの分解活性評価法]
密閉された容積400ccの石英ガラス容器中に5cm角のアルカリフリーガラス基板上に垂直投影面積で25cm2の面積に成膜された酸化タングステン薄膜を設置し、石英ガラス容器に濃度約60ppmとなるようにアセトアルデヒドを充填し、可視光を照射する前に1時間ほど暗所に設置し、アセトアルデヒド濃度の変化を計測して内容物の漏れが無いことを確認する。その後、可視光を照射し、照射時間に対するアセトアルデヒド濃度の変化を計測した。なお、可視光照射には中心波長450nmのキセノンランプ(HAYASHI社製「LA−250Xeキセノンランプ」)を用いて1.0mW/cm2の光強度でサンプルに照射し、アセトアルデヒド濃度は、容器内の気相をマイクロシリンジで1ml抜き取り、ガスクロマトグラフィー(島津製作所製「GC−14B」)を用いて計測した。
[Acetaldehyde Degradation Activity Evaluation Method]
A tungsten oxide thin film formed in an area of 25 cm 2 in vertical projection area on a 5 cm square alkali-free glass substrate is placed in a sealed quartz glass container with a capacity of 400 cc so that the concentration becomes about 60 ppm in the quartz glass container. Acetaldehyde is filled in and placed in a dark place for about 1 hour before irradiation with visible light, and changes in the acetaldehyde concentration are measured to confirm that there is no leakage of contents. Then, visible light was irradiated and the change of the acetaldehyde concentration with respect to irradiation time was measured. The sample was irradiated with a light intensity of 1.0 mW / cm 2 using a xenon lamp having a central wavelength of 450 nm (“LA-250Xe xenon lamp” manufactured by HAYASHI) for visible light irradiation. 1 ml of the gas phase was extracted with a microsyringe and measured using gas chromatography (“GC-14B” manufactured by Shimadzu Corporation).
説明の便宜上まず、比較例を挙げる。 For convenience of explanation, a comparative example is given first.
比較例1
通常のDCマグネトロンパルススパッタ装置を用い、真空チャンバーに、基板としてアルカリフリーガラスをセットし、荒引きポンプ(ロータリーポンプ+メカニカルブースターポンプ)で1×10−1Paまで排気した後、ターボ分子ポンプで5×10−4Paまで排気し、次いで以下の条件で酸化物モードでの酸化タングステン薄膜の成膜を行った。
Comparative Example 1
Using an ordinary DC magnetron pulse sputtering system, alkali-free glass is set as a substrate in a vacuum chamber, exhausted to 1 × 10 −1 Pa with a roughing pump (rotary pump + mechanical booster pump), and then with a turbo molecular pump. After evacuating to 5 × 10 −4 Pa, a tungsten oxide thin film was formed in an oxide mode under the following conditions.
・ターゲット:φ75mmの金属タングステン
・カソード形状:円形マグネトロン、基板と平行に対面して設置
・基板位置:ターゲットと基板との距離100mm
成膜圧力:5Pa
基板の加熱温度:600℃
酸素ガス流量:100sccm
Arガス流量:0sccm
投入電力:180W
投入電力密度:4W/cm2
成膜速度:9nm/min
膜厚:500nm
・ Target: Metal tungsten of φ75 mm ・ Cathode shape: Circular magnetron, installed facing the substrate in parallel ・ Substrate position: Distance between target and substrate 100 mm
Deposition pressure: 5Pa
Substrate heating temperature: 600 ° C
Oxygen gas flow rate: 100 sccm
Ar gas flow rate: 0sccm
Input power: 180W
Input power density: 4 W / cm 2
Deposition rate: 9 nm / min
Film thickness: 500nm
形成された酸化タングステン薄膜のアセトアルデヒドの分解活性評価結果を図2に示した。 The evaluation results of the acetaldehyde decomposition activity of the formed tungsten oxide thin film are shown in FIG.
図2より、形成された酸化タングステン薄膜はアセトアルデヒドの分解活性を示すものの、成膜速度は9nm/minと超低速であった。 As shown in FIG. 2, the formed tungsten oxide thin film showed acetaldehyde decomposition activity, but the film formation rate was 9 nm / min, which was extremely low.
比較例2
基板加熱を行わないこと以外は比較例1と同様にして酸化タングステン薄膜を成膜し、その後600℃で1時間の後焼成を行った。
Comparative Example 2
A tungsten oxide thin film was formed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the substrate was not heated, and then post-baked at 600 ° C. for 1 hour.
形成された酸化タングステン薄膜のアセトアルデヒドの分解活性評価結果を図3に示した。図3より、形成された酸化タングステン薄膜はアセトアルデヒドの分解活性を示さないことが確認された。 The evaluation results of the acetaldehyde decomposition activity of the formed tungsten oxide thin film are shown in FIG. From FIG. 3, it was confirmed that the formed tungsten oxide thin film does not show the decomposition activity of acetaldehyde.
実施例1
図1に示すガスフロースパッタ装置を用い、チャンバー内に、基板としてアルカリフリーガラスをセットし、荒引きポンプ(ロータリーポンプ+メカニカルブースターポンプ)で1×10−1Paまで排気した後、以下の条件で酸化タングステン薄膜を成膜した。
Example 1
Using the gas flow sputtering apparatus shown in FIG. 1, after setting alkali-free glass as a substrate in the chamber and exhausting to 1 × 10 −1 Pa with a roughing pump (rotary pump + mechanical booster pump), the following conditions Then, a tungsten oxide thin film was formed.
・ターゲット:80mm×160mm×6mmのWターゲット
・カソード形状:平行平板対向型(上記ターゲットを2枚使用、距離30mm)
・基板位置:カソード端部と基材間距離105mm
基板加熱温度:600℃
成膜圧力:70Pa
酸素ガス(反応性ガス)流量:50sccm
Arガス(強制流)流量:5SLM
投入電力:1.0kW
投入電力密度:3.9W/cm2
成膜速度:220nm/min
膜厚:500nm
-Target: 80 mm x 160 mm x 6 mm W target-Cathode shape: Parallel plate facing type (using two of the above targets, distance 30 mm)
-Substrate position: 105mm distance between cathode end and substrate
Substrate heating temperature: 600 ° C
Deposition pressure: 70 Pa
Oxygen gas (reactive gas) flow rate: 50 sccm
Ar gas (forced flow) flow rate: 5 SLM
Input power: 1.0kW
Input power density: 3.9 W / cm 2
Deposition rate: 220 nm / min
Film thickness: 500nm
形成された酸化タングステン薄膜のアセトアルデヒドの分解活性評価結果を図4に示した。図4より、形成された酸化タングステン薄膜は220nm/minと超高速成膜ながらアセトアルデヒドの分解活性を示すことが確認された。 The evaluation results of the acetaldehyde decomposition activity of the formed tungsten oxide thin film are shown in FIG. From FIG. 4, it was confirmed that the formed tungsten oxide thin film showed an acetaldehyde decomposition activity while being deposited at an ultra-high speed of 220 nm / min.
実施例2
基板加熱を行わなかった以外は実施例1と同様にして酸化タングステン薄膜を成膜した。その後、この酸化タングステン薄膜を大気中600℃で1時間焼成した。
Example 2
A tungsten oxide thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the substrate was not heated. Thereafter, this tungsten oxide thin film was baked in the atmosphere at 600 ° C. for 1 hour.
形成された酸化タングステン薄膜のアセトアルデヒドの分解活性評価結果を図5に示した。図5より、形成された酸化タングステン薄膜はアセトアルデヒドの分解活性を示すことが確認された。 The evaluation results of the acetaldehyde decomposition activity of the formed tungsten oxide thin film are shown in FIG. From FIG. 5, it was confirmed that the formed tungsten oxide thin film showed acetaldehyde decomposition activity.
比較例1,2及び実施例1,2の結果(図2〜図4)をまとめたものを図6に示した。これらの結果から、ガスフロースパッタリング法による光触媒酸化タングステン薄膜の形成について、酸化タングステンの高速成膜が可能であり、また、成膜された酸化タングステン薄膜は、基板加熱成膜あるいは後焼成のいずれの方法によっても優れた可視光応答光触媒活性(アセトアルデヒドの分解活性)を有することが明らかとなった。ガスフロースパッタ法が安価な設備で構成できることや、成膜速度が早い事、ターゲット利用効率が高いことから低コストに光触媒薄膜を作製することが可能であり、またWO3はTiO2にはない可視光応答性を有することから屋内使用などにも有望である。 A summary of the results of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 (FIGS. 2 to 4) is shown in FIG. From these results, it is possible to form a tungsten oxide thin film at a high speed for the formation of a photocatalytic tungsten oxide thin film by the gas flow sputtering method. It became clear that it has the visible light responsive photocatalytic activity (decomposition activity of acetaldehyde) also by the method. Since the gas flow sputtering method can be configured with inexpensive equipment, the film forming speed is high, and the target utilization efficiency is high, it is possible to produce a photocatalytic thin film at low cost, and WO 3 is not in TiO 2 Since it has visible light responsiveness, it is also promising for indoor use.
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