磁控濺射法制備的不同襯底上的TiO2薄膜

郭智文，姜坤，吳寶嘉，顧廣瑞

（延邊大學(xué)理學(xué)院 物理系，吉林 延吉133002）

磁控濺射法制備的不同襯底上的TiO2薄膜

郭智文，姜坤，吳寶嘉，顧廣瑞＊

（延邊大學(xué)理學(xué)院 物理系，吉林 延吉133002）

利用射頻磁控濺射方法，分別在改變氧氣含量和沉積時間的條件下在ITO玻璃、Si和Al／ITO玻璃襯底上沉積了TiO2薄膜，并利用拉曼光譜表征了2種條件下的TiO2薄膜的結(jié)構(gòu).研究表明：襯底材料、氧氣含量以及沉積時間明顯地影響了TiO2薄膜的結(jié)構(gòu).隨著氧氣含量的降低，沉積在ITO玻璃襯底上的TiO2薄膜由銳鈦礦和金紅石的混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏慕鸺t石結(jié)構(gòu)，而沉積在Si襯底上的TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)沒有改變，并保持單一的金紅石結(jié)構(gòu)；隨著沉積時間的增加，Al／ITO玻璃襯底上的TiO2薄膜由金紅石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦結(jié)構(gòu).

TiO2薄膜；磁控濺射；拉曼光譜；金紅石；銳鈦礦

近年來，TiO2薄膜因具有無毒性、良好的光催化活性、高折射率、半導(dǎo)體性質(zhì)等引起了人們的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于涂料、化纖、塑料、化妝品和陶器等方面［1－8］.研究表明：ITO 導(dǎo)電玻璃具有很強的傳導(dǎo)性，以TiO2／ITO薄膜為光反應(yīng)催化劑時，產(chǎn)生的光生電子與空穴能迅速分離，而且還能避免再結(jié)合［9－10］；通過溶膠凝膠方法在ITO玻璃上制得的TiO2薄膜雖然具有良好的光催化活性，但其機械耐久性和面積均勻性較差，而利用磁控濺射方法制備出的TiO2薄膜具有結(jié)合力好和厚度均勻的特性［11］；當(dāng)兩種材料相互接觸時，由于功函數(shù)不同，使得電子通過界面從功函數(shù)低的材料轉(zhuǎn)移到功函數(shù)高的材料［12］，若基底材料的功函數(shù)低于TiO2，可以使電子通過界面從基底轉(zhuǎn)移到TiO2薄膜，從而大大改善TiO2薄膜的電學(xué)特性.基于以上研究，本文利用磁控濺射方法，在ITO玻璃、Si和Al／ITO玻璃襯底上沉積了TiO2薄膜，并且對其結(jié)構(gòu)性質(zhì)進行了研究.

1 實驗

通過射頻磁控濺射方法沉積TiO2薄膜.靶材選用的是直徑為50 mm、純度為99.99%的鈦金屬，背景壓強低于6×10－5Pa，沉積時間保持在1 h.為了研究不同的氧氣體積含量對薄膜結(jié)構(gòu)的影響，在室溫下通過改變沉積物的氧氣體積分數(shù)，成功地在Si和ITO玻璃襯底上沉積了系列薄膜樣品，并用拉曼光譜分析了TiO2薄膜的微觀結(jié)構(gòu)特性.TiO2薄膜的生長條件見表1.

表1 TiO2薄膜的沉積參數(shù)

2 結(jié)果與討論

圖1顯示的是不同氧氣體積分數(shù)下在ITO玻璃襯底上沉積的TiO2薄膜的拉曼光譜.由圖1可知：在ITO玻璃襯底上，當(dāng)氧氣的體積分數(shù)為10%時，可觀察到金紅石的特征Raman峰（462 cm－1和622 cm－1），而無銳鈦礦的特征峰，說明此時生成的是金紅石結(jié)構(gòu)；當(dāng)減少氧氣的體積分數(shù)到7.6%時，薄膜樣品的相結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，仍是金紅石結(jié)構(gòu)；當(dāng)氧氣的體積分數(shù)減少到5%時，薄膜的相結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，生成了145、402、520 cm－1的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的Raman特征峰，但是與體材料銳鈦礦結(jié)構(gòu)的Raman峰（397 cm－1和517 cm－1）相比有略微的藍移，這是因為薄膜材料的納米晶粒的量子尺寸效應(yīng)所致，納米晶薄膜材料相對于體材料而言，聲子模譜線一般有線寬變寬、強度減弱的現(xiàn)象［13］.另外從圖1還觀察到，456 cm－1和626 cm－1的金紅石相Raman峰，相比于氧氣的體積分數(shù)為10%時的峰（462 cm－1和622 cm－1），有向右的略微紅移，這可能是由于晶粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力的增加導(dǎo)致電子波函數(shù)重疊加大，從而使能級間距變窄而引起的［14］.

圖2顯示的是在Si襯底上沉積的TiO2薄膜的拉曼光譜.當(dāng)氧氣的體積分數(shù)為5%時，在153、240、451、614 cm－1處觀察到金紅石相特征峰；隨著氧氣的體積分數(shù)的增加，薄膜的Raman峰增強，但其相結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化，這可能與襯底的材料和沉積壓強有關(guān).

圖1 不同氧氣體積分數(shù)下在ITO玻璃襯底上制備的TiO2薄膜的Raman光譜：（a）5%，（b）7.6%，（c）10%

通過比較發(fā)現(xiàn)，TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)受不同襯底材料和氧氣體積分數(shù)的影響較為明顯.當(dāng)氧氣的體積分數(shù)較高時，金紅石相的薄膜不受襯底材料的影響；但是當(dāng)氧氣的體積分數(shù)下降時，在不同襯底上沉積的薄膜呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)取向.為了更好地比較在ITO玻璃和Si襯底上不同的氧氣體積分數(shù)對TiO2薄膜結(jié)構(gòu)的影響，本文把氧氣體積分數(shù)為5%時生成的TiO2薄膜的拉曼光譜繪于圖3中.總之，在Si襯底上容易生成金紅石結(jié)構(gòu)TiO2薄膜，在ITO玻璃襯底上容易生成銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2.

圖2 不同的氧氣體積分數(shù)下在Si襯底上制備的TiO2薄膜的 Raman光譜：（a）5%，（b）6.25%，（c）10%

圖3 氧氣的體積分數(shù)為10%時在Si襯底（a）和ITO 玻璃襯底（b）上沉積的TiO2薄膜的Raman光譜

圖4是在Al／ITO玻璃襯底上用不同沉積時間沉積的TiO2薄膜的Raman光譜，沉積條件如表1所示.由圖4可知：在沉積時間為1.45 h時，觀察到446 cm－1和612 cm－1的金紅石結(jié)構(gòu)的特征Raman峰；在沉積時間為2 h時，金紅石結(jié)構(gòu)的特征Raman峰變強了，并且出現(xiàn)了235 cm－1的金紅石相Raman峰，但未觀察到銳鈦礦相Raman峰，說明在2 h沉積時間以內(nèi)生成的TiO2薄膜主要是單一的金紅石結(jié)構(gòu)；當(dāng)沉積時間增加到2.5 h時，金紅石的特征峰消失，出現(xiàn)了146、400、519、638 cm－1的銳鈦礦結(jié)構(gòu)特征峰，說明此時生成的是純銳鈦礦結(jié)構(gòu)；當(dāng)沉積時間增加到3.5 h后，薄膜的相結(jié)構(gòu)沒有改變，但Raman信號比沉積3 h時的增強了.可見，沉積時間的增加有利于銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2薄膜的生成.

圖4 在Al／ITO玻璃襯底上用不同沉積時間制備的TiO2薄膜的Raman光譜：（a）3.5 h，（b）2.5 h，（c）2 h，（d）1.45 h

3 結(jié)論

利用射頻磁控濺射技術(shù)在ITO玻璃、Si和Al／ITO玻璃襯底上制備了TiO2薄膜，發(fā)現(xiàn)氧氣的體積分數(shù)、襯底材料和沉積時間對生成的TiO2薄膜的相結(jié)構(gòu)具有很大的影響.研究表明：當(dāng)氧氣的體積分數(shù)較高時，在ITO玻璃襯底上沉積的TiO2薄膜顯示出銳鈦礦和金紅石的混合結(jié)構(gòu)；當(dāng)氧氣的體積分數(shù)減少時，TiO2薄膜變成單一的銳鈦礦結(jié)構(gòu)，表明在ITO玻璃襯底上低氧氣體積分數(shù)有利于銳鈦礦結(jié)構(gòu)的生成.在Si襯底上制備的TiO2薄膜只顯示出金紅石結(jié)構(gòu)，不隨著氧氣體積分數(shù)的變化而變化，說明Si襯底有利于金紅石結(jié)構(gòu)TiO2薄膜的生成.在Al／ITO玻璃襯底上制備的TiO2薄膜，隨著沉積時間的增加，薄膜的相結(jié)構(gòu)由金紅石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦結(jié)構(gòu)，表明沉積時間的增加有利于銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2薄膜的生成.

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TiO2thin films deposited on different substrates by magnetron sputtering

GUO Zhi－wen，JIANG Kun，WU Bao－jia，GU Guang－rui＊
（DepartmentofPhysics，CollegeofScience，YanbianUniversity，Yanji133002，China）

TiO2thin films are deposited on ITO glass and Si substrates at different oxygen content and on Al／ITO glass substrates at different deposition time by radio frequency（RF）magnetron sputtering.The structure of the above TiO2thin films is studied by Raman spectra.The final analysis indicats that the structure of TiO2thin films is strongly influenced by the oxygen content，substrate materials and deposition time.With decreasing oxygen content，the structure of the TiO2films deposited on ITO glass substrates changed from the mixed structure of anatase and rutile to the single anatase structure，and the structure of TiO2thin films deposited on Si substrates is not changed and kept only rutile structure.With increasing deposition time，the structure of TiO2thin films deposited on Al／ITO glass substrates changed from the rutile structure to the anatase structure.

TiO2thin film；magnetron sputtering；Raman spectrum；rutile；anatase

O484.1

A

1004－4353（2012）01－0041－03

2012－02－15 ＊通信作者：顧廣瑞（1970—），男，博士，教授，研究方向為薄膜材料.

國家自然科學(xué)基金資助項目（11164031）；教育部留學(xué)歸國人員科研啟動基金資助項目（教外司留［2009］1341號）