大氣壓等離子體射流放電參數(shù)對沉積氧化鈦薄膜特性的影響

鄧成志，韓若愚，連秀云，馮 娟，張?zhí)炝粒?琛，歐陽吉庭

(北京理工大學 物理學院，北京 100081)

TiO2作為一種半導體氧化物，具有價格低廉、無毒、穩(wěn)定性好、催化活性高等優(yōu)勢。在表面自清潔[1]、抗反射涂層[2]、耐磨耐腐蝕涂層[3]、光催化[4]、抗菌凈水[5]等領域受到廣泛的關注和研究。隨著等離子體在各領域應用的蓬勃發(fā)展[6-9]，大氣壓等離子體射流(APPJ)因氣體溫度低、電子溫度高、活性粒子含量高、操作簡單、不需要真空系統(tǒng)等獨特優(yōu)勢，在表面處理[10]和材料制備[11]領域顯示出了巨大的應用潛力。

許多研究者開展了大氣壓等離子體射流制備TiO2薄膜的研究，并得到了一系列的成果。Lee等[12]使用鈦酸異丙酯(TTIP)作為前體對沉積在清潔Si(100)上的非晶TiO2的結(jié)構(gòu)、化學組成以及光學和電學性質(zhì)進行了研究，并發(fā)現(xiàn)TiO2薄膜的沉積速率和折射率2個參數(shù)，隨著射頻功率、氣壓和襯底溫度的變化而變化。Nie等[13]利用大氣壓冷等離子體制備了TiO2顆粒，在不加熱的情況下得到晶體尺寸為10～15 nm的單晶銳鈦礦型TiO2，其顆粒直徑隨放電功率的增大而減小。隨后，Huang等[14]利用13.56 MHz射頻源在大氣壓環(huán)境中制備出納米TiO2顆粒，初步解釋納米顆粒形成的原因是大氣環(huán)境中粒子平均自由程短，鈦的衍生物容易在氣相中成核進而團聚為TiO2納米顆粒。Chen等[15]利用大氣壓低頻介質(zhì)阻擋放電制備出均勻的銳鈦礦TiO2薄膜，其沉積速率為70 nm/min。Kment等[16]進一步研究了不同電導率基片對TiO2薄膜晶型的影響，發(fā)現(xiàn)在絕緣體、半導體和導體表面分別容易生成銳鈦礦、金紅石和非晶的TiO2薄膜，這是因為基片導電性會影響等離子體分布，進而影響基片溫度。

大氣壓等離子體放電通常有均勻放電、絲狀放電、斑圖放電幾種模式，放電參數(shù)調(diào)控不當容易形成絲狀放電，導致等離子體區(qū)域不均勻，可能對基底表面造成損壞且不利于形成均一性較好的TiO2薄膜，因此薄膜沉積過程應在穩(wěn)定均勻放電模式下進行。而大氣壓介質(zhì)阻擋穩(wěn)定放電電流脈沖通常表現(xiàn)為外加電壓的每半個周期內(nèi)僅有1個電流脈沖(單脈沖放電)或多個電流脈沖(多脈沖放電)，關于穩(wěn)定放電時單、雙脈沖等離子體射流的放電特性及其制備TiO2薄膜的機理和差異仍沒有明確的結(jié)論，有待進一步研究[17]。

本研究中利用針-板電極大氣壓Ar氣脈沖電暈等離子體射流制備TiO2薄膜，研究單、雙脈沖等離子體環(huán)境下沉積的TiO2薄膜的差異，對單、雙脈沖放電條件下的等離子體射流進行診斷對比，探索TiO2薄膜特性及沉積速率與等離子體環(huán)境的關系，以期為大氣壓等離子體射流材料制備過程中放電參數(shù)的調(diào)控提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

鈦酸異丙酯(TTIP，純度99%，上海阿拉丁公司產(chǎn)品)作為前驅(qū)體，Ar作為工作氣體，將Ar沿氣路以固定速率輸入放置著前驅(qū)體的洗氣瓶中，Ar以鼓泡的方式將易揮發(fā)的前驅(qū)體帶入放電等離子體區(qū)域。

1.2 大氣壓等離子體射流實驗裝置

大氣壓等離子體射流實驗裝置如圖1所示。包括電路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)及診斷系統(tǒng)。電路系統(tǒng)中，高壓電極為直徑Φ=0.7 mm、針尖曲率半徑r=80 μm的鎢針，與高壓交流電源(CTP-2000K)相連。針電極固定在石英介質(zhì)管內(nèi)，介質(zhì)管內(nèi)徑Φ1=6 mm，外徑Φ2=8 mm。地電極為100 mm×100 mm的銅板，并通過無感電阻Rs=1 kΩ接地?；瑸槌叽?0 mm×10 mm×2 mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)片。針尖與基片表面可調(diào)間距范圍為0～20 mm。在鍍膜之前，基片進行超聲清洗，以保證基片表面清潔。

MFC—Mass flowmeter control；TTIP—Titanium tetraisopropanolate；PC—Process controller；HV—High voltage side；Resistor RS is used with a low voltage probe to measure discharge current.圖1 大氣壓等離子體射流實驗裝置Fig.1 Experimental setup of atmospheric pressure plasma jet

氣路系統(tǒng)中，將鈦酸異丙酯放置在250 mL洗氣瓶中，用Ar氣以鼓泡的方式將其蒸汽帶入等離子體區(qū)。洗氣瓶置于加熱器中，前驅(qū)體鈦酸異丙酯的通入速率可以通過加熱器溫度和Ar氣流速調(diào)節(jié)，氣路系統(tǒng)流速由氣體流量計(Seven Star CS200型)控制，實驗控制氣體流量為500 sccm。診斷系統(tǒng)包括電氣特性測試、圖像采集、光譜診斷及鍍膜表征。其中，高壓電極上的施加電壓(Vs)由數(shù)字示波器(Tektronix DPO4104B型)通過高壓探頭(Tektronix P6105A型)測量；放電電流由與地電極串聯(lián)的采樣電阻Rs=1000 Ω兩端的低壓探頭(Tektronix TPP1000型)測量；放電圖像由CCD相機(Nikon，D7200)拍攝；放電產(chǎn)生的發(fā)射光譜(OES)通過光譜儀(Zolix Omniλ-5008型)測量和分析；脈沖等離子體時間分辨圖像由帶有時間閘門的像增強CCD相機，ICCD(iStar DH334型，Andor iStar)通過放電電流觸發(fā)采集。TiO2薄膜表征包括表面形貌、膜厚、表面水接觸角測試。采用場發(fā)射掃描電鏡(SUPRA 55 SAPPHIRE型，德國Zeiss公司產(chǎn)品)得到表面形貌。采用X射線光電子能譜(XPS，PHI QUANTERA-Ⅱ型，日本ULVAC-PHI公司產(chǎn)品)測定表面成分。采用DektakXT探針式表面輪廓儀掃描測定膜厚。采用接觸角測量儀(JC2000D3M型，上海中晨數(shù)字技術設備有限公司產(chǎn)品)測定薄膜表面水接觸角。

實驗通過優(yōu)化放電參數(shù)，抑制大氣壓Ar放電中的高頻絲狀瞬態(tài)放電，獲得穩(wěn)定彌散的大氣壓下Ar脈沖電暈等離子體射流，用于沉積TiO2薄膜，并測試了不同條件下等離子體放電特性和薄膜特性。本研究中針電極到基片的距離為6 mm，四異丙醇鈦載氣氣體流量為500 sccm，單脈沖放電電壓峰-峰值均為3.7 kV，雙脈沖放電電壓峰-峰值均為4.7 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 放電特性

2.1.1 放電電流、放電圖像和功率

大氣壓介質(zhì)阻擋均勻放電電流脈沖通常表現(xiàn)為外加電壓的每半個周期內(nèi)僅有1個電流脈沖(單脈沖放電)或多個電流脈沖(多脈沖放電)，實驗中發(fā)現(xiàn)當放電處于多脈沖過渡區(qū)時，易發(fā)生絲狀放電，導致等離子體區(qū)域不均勻，可能對基底表面造成損壞且不利于形成均一性較好的TiO2薄膜。如圖2所示，等離子體區(qū)域中出現(xiàn)一些細絲狀放電通道，隨著放電的持續(xù)，基底上細絲放電通道位置局部溫度過高，出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，等離子體區(qū)域外圍出現(xiàn)白色團聚大顆粒。

圖2 單-多脈沖過渡放電圖像及基底表面實物照片F(xiàn)ig.2 Images of single- and multiple-pulse transition discharge and physical image of substrate surface(a)Ablation occurred at the position of discharge filament；(b)Large white agglomerated particles appear outside the plasma region

因此，薄膜沉積過程應在單脈沖或多脈沖的穩(wěn)定均勻放電模式下進行。放電頻率為35 kHz時，針-板電極大氣壓Ar單、雙脈沖電暈等離子體放電電流-電壓波形圖及放電圖像如圖3所示。由圖3可以看出，正弦電壓的上升沿和下降沿均有放電脈沖發(fā)生，正向電流脈沖個數(shù)和幅值隨著施加電壓峰-峰值的增大而增加(放電電流通常呈穩(wěn)定的單脈沖或雙脈沖，放電頻率與電極間距較小情況下可能獲得穩(wěn)定三脈沖放電)。當放電電流呈穩(wěn)定的單脈沖或雙脈沖時，電暈等離子體射流區(qū)域呈均勻彌散分布。

圖3 APPJ電壓-電流波形圖及放電圖像Fig.3 Voltage-current waveforms and discharge images of APPJ(a)Voltage-current waveform of single pulse discharge；(b)Voltage-current waveform of double pulse discharge；(c)Image of single pulse discharge；(d)Image of double pulse discharge

在上述放電條件下，利用積分法可得到大氣壓下等離子體射流的極間平均耗散功率(PA)，如式(1)所示。

(1)

式中：t1和t2分別為1個完整電壓周期的起始時刻和結(jié)束時刻，μs；N為1個放電周期時間間隔；u為周期內(nèi)各時刻電壓，V；i為相應時刻電流，A。

圖4為極間平均耗散功率與頻率的關系。由圖4可以看出，極間平均耗散功率隨著放電頻率的增加而增大，但變化幅度不大，單脈沖變化不超過100 mW，雙脈沖變化不超過500 mW。同一放電頻率下雙脈沖放電極間平均耗散功率大于單脈沖放電極間平均耗散功率；在放電頻率15～35 kHz范圍內(nèi)，大氣壓針-板Ar單、雙脈沖 電暈放電極間平均耗散功率均不超過1000 mW。

圖4 極間平均耗散功率(PA)與放電頻率的關系Fig.4 Relationship between average inter-electrode power dissipation (PA)and discharge frequency

2.1.2 發(fā)射光譜、轉(zhuǎn)動溫度和電子激發(fā)溫度

發(fā)射光譜包含豐富的等離子體參數(shù)信息，在頻率為25 kHz、管口外側(cè)2 mm處測得大氣壓Ar單、雙脈沖電暈放電等離子體發(fā)射光譜，如圖5所示。由圖5可以看出：單、雙脈沖放電等離子體射流的譜線均主要分布在 680～950 nm范圍內(nèi)，以Ar的原子譜為主，發(fā)光強度較大的譜線有750.39、763.51、772.42和811.53 nm等，這些譜線對應Ar(4p→3s)，對應的激發(fā)能主要分布在13.07～13.48 eV。此外，實驗測量到OH、N和O的相關譜線。雙脈沖電暈放電發(fā)射光譜的強度比單脈沖電暈放電發(fā)射光譜強度更大。

圖5 Ar等離子體射流的發(fā)射光譜Fig.5 Emission spectra of Ar plasma jets(a)Emission spectra of single pulse APPJ；(b)Emission spectra of double pulse APPJ

通?？刹捎脷怏w分子如N2、OH、O2、CH等的轉(zhuǎn)動溫度(Trot)來近似估計等離子體氣體溫度[18]。本研究中采用單、雙電流脈沖放電等離子體發(fā)射光譜中OH自由基的躍遷譜線(306～312 nm)來估算OH自由基的轉(zhuǎn)動溫度隨放電頻率的變化，通過LIFBASE Spectroscopy Tool (SRI International)擬合得到，結(jié)果如圖6所示。

The intensity nomalized to 100.圖6 轉(zhuǎn)動溫度(Trot)隨放電頻率的變化Fig.6 Variation of rotational temperature (Trot)with discharge frequency(a)LIFBASE spectroscopy tool fitting graph；(b)Rotational temperature (Trot)vs. discharge frequency

由圖6可以看出，大氣壓等離子體射流的轉(zhuǎn)動溫度隨放電頻率的增加而增大。單脈沖放電等離子體，放電頻率從15 kHz到35 kHz，OH轉(zhuǎn)動溫度從305 K(32 ℃)上升到310 K(37 ℃)。相同放電頻率下，雙脈沖放電OH轉(zhuǎn)動溫度(可代表等離子體氣體溫度)高于單脈沖放電；在放電頻率15～35 kHz范圍內(nèi)，雙脈沖放電等離子體OH轉(zhuǎn)動溫度從307 K(34 ℃)升高到315 K(42 ℃)，略高于室溫。因此針-板電極大氣壓Ar脈沖電暈等離子體射流可用于不耐高溫基底上的材料制備。

由于電子直接碰撞是介質(zhì)阻擋放電過程中最主要的激發(fā)方式，各條譜線的強弱主要與放電空間的電子激發(fā)溫度有關。主導激發(fā)態(tài)分布的激發(fā)過程主要由自由電子引起，自由電子溫度通常與原子或分子中束縛電子的電子激發(fā)溫度緊密相關，二者呈準等價的關系，因此大氣壓下通?；陔娮蛹ぐl(fā)溫度的測量來反映等離子體電子溫度[19]。利用玻爾茲曼圖譜法[20-21]對等離子體射流電子激發(fā)溫度進行計算。為減小誤差，本研究中計算選取譜線強度區(qū)分度較好的5條譜線，所需譜線參數(shù)來自美國國家標準與技術學會(NIST)網(wǎng)站，列于表1。表1中，λkl為波長；Akl為從能級k躍遷到能級l的躍遷概率；Ek為k能級對應的激發(fā)能；gk為k能級的權(quán)重。結(jié)合表1中譜線的相應參數(shù)對發(fā)射光譜數(shù)據(jù)進行計算，可得到單、雙脈沖放電電子激發(fā)溫度隨放電頻率的變化，如表2所示。

表1 用于計算電子激發(fā)溫度的Ar相關譜線參數(shù)Table 1 Spectral line parameters of Ar used to calculate electron excitation temperature

表2 單、雙脈沖放電電子激發(fā)溫度(Texc)隨放電頻率的變化Table 2 Variation of single- and double-pulse discharge electron excitation temperature (Texc)with discharge frequency

結(jié)果表明，在放電頻率15～35 kHz范圍內(nèi)，大氣壓Ar單、雙脈沖電暈等離子體電子激發(fā)溫度變化不顯著，計算得到的等離子體電子激發(fā)溫度約8000 K，雙脈沖等離子體射流電子溫度略高于單脈沖射流電子激發(fā)溫度。

2.1.3 單、雙脈沖等離子體射流發(fā)展

以圖7中藍星及箭頭標記處為t0時刻，開始拍攝等離子體發(fā)展圖像，分別選取8張ICCD拍攝的等離子體射流發(fā)展過程圖像反映單脈沖等離子體射流、雙脈沖第一脈沖等離子體射流、雙脈沖第二脈沖等離子體射流的發(fā)展過程，結(jié)果如圖8所示。為直觀地表示出等離子體射流隨時間的發(fā)展情況，圖8中各分圖標注的數(shù)值為各圖像對應時刻(t)與初始時刻(t0)的時間間隔Δti=t-t0，同時圖8中各分圖對應的時刻在圖7中依次用“空心五角星”標記。

由圖8可以看出，單脈沖放電等離子體射流發(fā)展情況中，放電開始時，針電極正下方位置出現(xiàn)點狀等離子體團(起暈)，隨后等離子體不斷向地電極(基底)發(fā)展，最后較為均勻地鋪展在基底表面。雙脈沖放電的第1個脈沖與單脈沖放電發(fā)展類似；而第2個脈沖階段放電比單脈沖放電更集中，居中的等離子體區(qū)域變得極為明亮，周圍區(qū)域幾乎沒有放電現(xiàn)象，且雙脈沖放電持續(xù)時間比單脈沖更長。雙脈沖中第2個脈沖并沒有像單脈沖一樣從針尖開始起暈然后向地電極發(fā)展，更傾向于在電極空間整體發(fā)生放電現(xiàn)象。這可能是由于雙脈沖放電2個脈沖間隔較短，前1個脈沖放電后空間殘余電荷，對第2個脈沖放電的發(fā)生造成了影響。

本研究中射流從針電極發(fā)展到基底的時間為2～3 μs，兩電極間距為6 mm，射流發(fā)展平均速率為2×103～3×103m/s，與已有研究結(jié)果[22]吻合。

2.2 TiO2薄膜沉積

2.2.1 單、雙電流脈沖沉積薄膜的形態(tài)

圖9、圖10分別為放電頻率為25 kHz時單、雙脈沖制備薄膜的實物照片及SEM照片。由圖9和圖10可以看出，雙脈沖放電模式下沉積的氧化鈦薄膜比單脈沖放電更為致密。且大氣壓針-板電極結(jié)構(gòu)下制備的TiO2薄膜呈環(huán)形條紋狀，這與放電結(jié)構(gòu)導致的等離子體徑向分布有關。

圖9 單、雙脈沖放電沉積薄膜實物照片F(xiàn)ig.9 Images of single- and double-pulse discharge deposition film surface(a)Single pulse discharge；(b)Double pulse dischargeConditions：Frequency 25 kHz；Deposition time 10 min

圖10 單、雙脈沖放電沉積薄膜表面SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of single- and double-pulse discharge deposition film surface(a)，(c)Single pulse discharge；(b)，(d)Double pulse dischargeConditions：Frequency 25 kHz；Deposition time 10 min

2.2.2 單、雙電流脈沖沉積薄膜的XPS能譜

進一步分析沉積薄膜的組成，并對Ti 2p譜圖進行分峰處理，如圖11所示。由圖11可以看出，薄膜XPS能譜中存在Ti 2p譜線，Ti 2p的峰位在458.7和464.5 eV[23]，分別對應于Ti 2p3/2和Ti 2p1/22個能態(tài)，其中Ti 2p3/2的峰位對應TiO2中的Ti4+態(tài)；單、雙脈沖等離子體沉積的薄膜XPS能譜對比，雙脈沖能譜中Ti 2p譜線更強，單脈沖能譜中的C 1s譜線更強。雙脈沖放電的薄膜Ti含量高于單脈沖，而雜質(zhì)C含量低于單脈沖。造成單脈沖薄膜雜質(zhì)C含量較高的原因是單脈沖放電極間平均耗散功率較低，其放電強度比雙脈沖放電小，導致等離子體射流中前驅(qū)體鈦酸異丙酯的解離反應強度、碎片化程度比雙脈沖放電低，因此殘存了較多C的化合物。

圖11 單、雙脈沖放電沉積薄膜的XPS能譜圖Fig.11 XPS spectra of single- and double-pulse discharge deposited films(a)XPS spectra of single and double pulse discharge deposited films；(b)Ti 2p peak spectrogram

2.2.3 單、雙電流脈沖沉積薄膜厚度

使用DektakXT探針式表面輪廓儀對上述10組等離子體環(huán)境下制備的氧化鈦薄膜進行掃描，得到不同頻率下單、雙脈沖沉積10 min氧化鈦薄膜厚度，如圖12所示。由圖12可以看到，氧化鈦薄膜厚度(反映沉積速率)隨著放電頻率的增加而增大。且相同放電頻率下，雙脈沖等離子體射流沉積氧化鈦薄膜的速率均大于單脈沖等離子體射流，實驗條件下沉積速率為10～102nm/min。

圖12 單、雙脈沖放電沉積薄膜厚度隨放電頻率的變化Fig.12 Variation of film thickness with discharge frequencyof single- and double-pulse discharge deposition

薄膜的形成通常分為粒子吸附于基底，表面擴散，分子-分子、分子-基片化學鍵合，成核，微結(jié)構(gòu)形成，薄膜生長等幾個步驟[24]，在表面擴散過程中，粒子可能形成團簇均勻成核，或遷入基底與薄膜表面原子形成的勢能分布中，在局部能量有利位置優(yōu)先成核。表面擴散過程對于薄膜的形成及薄膜結(jié)構(gòu)有重要的影響。

雙脈沖放電極間平均耗散功率大于單脈沖放電，功率的增大導致等離子體電離度變高，高能電子數(shù)量增多，前驅(qū)體碰撞解離頻率提高，產(chǎn)生的活性中間體的數(shù)目更多，加劇了前驅(qū)體在等離子體中碎裂與反應的進行，有利于薄膜的沉積。同時，射流發(fā)展圖像顯示雙脈沖放電更集中，持續(xù)時間更長，等離子體射流與基底的作用更持續(xù)有效，有利于在基底表面形成局部能量有利位置，進而形成更多的有效成核點位。由此認為，上述原因?qū)е码p脈沖放電制備的氧化鈦薄膜更為致密。

2.2.4 不同放電頻率下單、雙電流脈沖沉積薄膜的親水性

物質(zhì)的親水性程度可以通過測量液相和固相之間的接觸角來測量，表面水接觸角小于90°表示親水性相互作用，而表面水接觸角大于90°表示疏水性相互作用。圖13、圖14分別為單、雙脈沖等離子體射流在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上沉積10 min TiO2薄膜后薄膜表面的親水性測試結(jié)果。

圖13 基底(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)及單、雙脈沖等離子體射流沉積TiO2薄膜表面水接觸角圖像Fig.13 Surface water contact angle images of substrate (polymethyl methacrylate，PMMA)and TiO2 films deposited by single- and double-pulse plasma jets(a)PMMA；(b)Single pulse plasma jet deposition of TiO2 film surface；(c)Double pulse plasma jet deposition of TiO2 film surfaceConditions：Frequency 25 kHz；Deposition time 10 min

圖14 TiO2薄膜表面水接觸角(θ)隨放電頻率的變化Fig.14 Variation of water contact angle (θ)on TiO2 film surface with discharge frequency

由圖13和圖14可以看到，通過單、雙脈沖電暈放電Ar等離子體沉積TiO2薄膜后，表面水接觸角從未處理前PMMA的68°分別降至約39°(25 kHz)和28°(25 kHz)。這可能與放電過程中材料表面介入一些極性親水基團(如：羥基、醚基、酯基)有關[25]。在放電頻率15～35 kHz范圍內(nèi)，材料表面水接觸角隨放電頻率變化不顯著。

鈦酸異丙酯分解、反應生成TiO2主要有2條熱分解途徑和1條水解反應途徑，其中涉及的關鍵反應式如式(2)～式(4)所示。

Ti(OC3H7)4→TiO2+4C3H6+2H2O

(2)

Ti(OC3H7)4→TiO2+2C3H6+2C3H7OH

(3)

Ti(OC3H7)4+2H2O→TiO2+4C3H7OH

(4)

完整的反應過程十分復雜，但可以簡單地近似成鈦酸異丙酯中4個異丙氧基(—OC3H7)分支被羥基(—OH)連續(xù)取代生成氫氧化鈦Ti(OH)4，隨后Ti(OH)4分解最終生成TiO2[26]。在電暈放電等離子體中，電子被加速，然后以數(shù)倍于打破分子鍵所需的能量轟擊聚合物，產(chǎn)生多種活性基團及中間產(chǎn)物。實驗結(jié)果表明，雙脈沖放電等離子體區(qū)域發(fā)光強度和平均耗散功率均大于單脈沖放電，功率的增大導致等離子體電離度變高，高能電子數(shù)量增多，等離子體發(fā)光增強也佐證了這一結(jié)果，進而導致前驅(qū)體碰撞解離頻率提高，產(chǎn)生的活性中間體的數(shù)目更多，加劇了前驅(qū)體在等離子體中的碎裂與反應的進行，有利于薄膜的沉積。

已有研究表明，以鈦酸異丙酯為前驅(qū)體，在低氣壓等離子體增強化學氣相沉積(LP-PECVD)氧化鈦的發(fā)射光譜中沒有檢測到OH的典型發(fā)射譜線[27]。由此推斷上述光譜中發(fā)現(xiàn)的OH來自于大氣環(huán)境，這與鈦酸異丙酯解離生成TiO2過程中的水解反應緊密相關，也揭示了LP-PECVD與本研究中大氣壓等離子體增強化學氣相沉積(AP-PECVD)2種制備TiO2的方法，在鈦酸異丙酯的分解路徑、化學反應方面存在一定差異。同時，這一結(jié)果也佐證了等離子體射流作用過程可能在薄膜表面介入了羥基(—OH)等親水性極性基團，導致大氣壓Ar脈沖電暈等離子體射流制備的TiO2薄膜具有較強的親水性。

3 結(jié) 論

(1)等離子體射流的放電電流為毫安量級，極間平均耗散功率不超過1000 mW，雙脈沖放電極間平均耗散功率大于單脈沖放電，且雙脈沖放電等離子體區(qū)域發(fā)光強度顯著增大。

(2)發(fā)射光譜表明，針-板射流以ArⅠ、ArⅡ、OH自由基的譜線為主，雙脈沖等離子體譜線強度和轉(zhuǎn)動溫度均高于單脈沖等離子體；電子激發(fā)溫度差異不明顯，約為8000 K，雙脈沖等離子體射流電子激發(fā)溫度略高于單脈沖等離子體射流。

(3)對比LP-PECVD和大氣壓等離子體射流2種方法制備TiO2薄膜過程中的發(fā)射光譜，結(jié)果表明，在鈦酸異丙酯的分解路徑、化學反應方面二者存在一定差異。同時，這一結(jié)果也佐證了大氣壓Ar脈沖電暈等離子體射流制備TiO2薄膜過程中，在薄膜表面介入了羥基(—OH)等親水性極性基團，導致薄膜具有較強的親水性。

(4)相同放電頻率條件下，雙脈沖放電沉積的氧化鈦薄膜比單脈沖放電下沉積的氧化鈦薄膜更為致密，雙脈沖放電薄膜沉積速率比單脈沖放電大，放電頻率15～35 kHz范圍下，大氣壓Ar等離子體射流制備氧化鈦薄膜的沉積速率為10～100 nm/min，雙脈沖等離子體射流沉積的薄膜表面水接觸角比單脈沖小約10°，具有更好的親水性。