專利名稱：一種帶隙可調(diào)的二氧化鈦/氮化鈦復(fù)合薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體能帶工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及二氧化鈦光催化劑帶隙調(diào)節(jié)的方法。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境問題是困擾人類發(fā)展亟待解決的兩個重大問題。二氧化鈦作為一種半導(dǎo)體光催化劑具有無毒、價廉、高效、選擇性低、無二次污染的優(yōu)點，其在環(huán)境污染物降解， 光分解水制氫等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。二氧化鈦具有較大禁帶寬度銳鈦礦相為3. &V，金紅石相為3. OeV，相當(dāng)于只能利用只占太陽光中10%不到的388nm和414nm波長以下的紫外光，嚴(yán)重的限制了對太陽光的利用率，如何調(diào)控二氧化鈦禁帶寬度，提高光譜響應(yīng)，是二氧化鈦半導(dǎo)體光催化技術(shù)研究的中心問題，也是二氧化鈦實用化過程中必須解決的關(guān)鍵問題。利用金屬陽離子、非金屬陰離子摻雜，陰陽離子共摻雜和多層膜的復(fù)合可以對二氧化鈦薄膜進(jìn)行帶隙調(diào)控，但是存在調(diào)整范圍較窄，可控性不高的問題。氮化鈦、二氧化鈦復(fù)合薄膜的制備可以在較大范圍內(nèi)對二氧化鈦帶隙進(jìn)行可控調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種帶隙可調(diào)的二氧化鈦/氮化鈦復(fù)合薄膜的制備方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是使用磁控濺射鍍膜機(jī)，采用氮化鈦作為靶材，用射頻磁控濺射法在基片上沉積，制得均勻的薄膜氮化鈦薄膜，將制備好的氮化鈦薄膜在空氣條件下選取不同溫度和不同時間進(jìn)行退火處理，即可得到帶隙可調(diào)的氮化鈦、二氧化鈦復(fù)合薄膜。所制的復(fù)合薄膜的帶隙寬度從1. 5 3. 3eV帶隙可調(diào)。為了說明本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明方法的實施包括以下步驟a.用射頻磁控濺射法在基片上沉積氮化鈦薄膜；b.將制備好的氮化鈦薄膜在空氣條件下，在47 97 退火IOmin 180min， 得到二氧化鈦/氮化鈦復(fù)合薄膜。步驟a的具體步驟如下(1)對硅基底或石英基底進(jìn)行預(yù)處理；(2)將預(yù)處理過的基底固定在磁控濺射鍍膜機(jī)的樣品臺上；(3)采用氮化鈦為靶材，將磁控濺射鍍膜機(jī)腔室抽真空至壓強為6X KT4Pa以下；(4)通入氬氣和氮氣，保持工作氣壓0. 8 4Pa，優(yōu)選1. OPa ；(5)在樣品臺的基底上生長200 IOOOnm厚的氮化鈦薄膜，優(yōu)選厚度SOOnm ；步驟(1)所述預(yù)處理的方法為用丙酮、酒精和去離子水依次超聲清洗，并晾干。步驟(3)中壓強通常為O 6) X 10_4Pa。步驟⑷中氮氣的體積分?jǐn)?shù)為3 20%。步驟(5)中樣品臺靜止或以0. 1 0. 6rpm的速率旋轉(zhuǎn)。
濺射前要調(diào)整靶材與樣品臺的角度，使二者正對，靶材和樣品臺距離保持6 15cm0步驟(5)中濺射時樣品臺的溫度為273 371。步驟b中退火溫度優(yōu)選621。一定溫度下，帶隙隨著退火時間縮短而減?。灰欢〞r間下，帶隙隨著退火溫度降低而減小。本發(fā)明的有益效果是通過對氮化鈦薄膜在空氣中不同溫度和時間下進(jìn)行退火處理，可以得到不同光學(xué)帶隙的氮化鈦、二氧化鈦復(fù)合薄膜，復(fù)合薄膜在特定退火溫度和時間處理過程表現(xiàn)出了良好的帶隙可控調(diào)整特性，從而有有利于增強復(fù)合薄膜對可見光的響應(yīng)，提高可見光的利用率。該方法簡單、快速、成本低、可調(diào)控性好。在表面自清潔材料、可見光條件下催化分解水制備氫氣和降解有害有機(jī)物的能源和環(huán)境領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。
具體實施例方式本發(fā)明是利用射頻磁控濺射鍍膜的方法，在硅基底或石英基底上沉積氮化鈦，并將制備的薄膜在空氣中不同溫度和時間進(jìn)行退火處理，就可得到帶隙可調(diào)的氮化鈦、氧化鈦復(fù)合薄膜。下面將以實施例對本發(fā)明予以具體說明。下述實施例是說明性的，不是限定性的， 不能以下述實施例來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。實施例1(1)將硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)將預(yù)處理過的基底固定在磁控濺射的樣品臺上；(3)采用氮化鈦為靶材，將磁控濺射鍍膜機(jī)腔室抽至2 X IO-4Pa的高真空；(4)通入氬氣和氮氣，保持工作氣壓1. OPa，其中氮氣的體積分?jǐn)?shù)為10% ；(5)調(diào)整靶材與樣品臺的角度，使二者正對，靶材和樣品臺距離保持10cm，并使樣品臺以0. 2rpm的速率旋轉(zhuǎn)，樣品臺的溫度保持在331，在樣品臺的基底上生長SOOnm厚的氮化鈦薄膜；(6)將制備好的氮化鈦薄膜在621溫度下在空氣氛圍中退火60min，然后從退火爐中移出并降至室溫，得到二氧化鈦/氮化鈦復(fù)合薄膜，帶隙寬度Eg = 2. 7eV。實施例2(1)將硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)將預(yù)處理過的基底固定在磁控濺射的樣品臺上；(3)采用氮化鈦為靶材，將磁控濺射鍍膜機(jī)腔室抽至2 X IO-4Pa的高真空；(4)通入氬氣和氮氣，保持工作氣壓1. OPa，其中氮氣的體積分?jǐn)?shù)為10% ；(5)調(diào)整靶材與樣品臺的角度，使二者正對，靶材和樣品臺距離保持10cm，并使樣品臺以0. 2rpm的速率旋轉(zhuǎn)，樣品臺的溫度保持在331，在樣品臺的基底上生長SOOnm厚的氮化鈦薄膜；(6)將制備好的氮化鈦薄膜在空氣氛圍下，621溫度下退火45min，得到氮化鈦和二氧化鈦的復(fù)合薄膜，帶隙寬度Eg = 2. 4eV0實施例3
(1)將硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)將預(yù)處理過的基底固定在磁控濺射的樣品臺上；(3)采用氮化鈦為靶材，將磁控濺射鍍膜機(jī)腔室抽至2 X IO-4Pa的高真空；(4)通入氬氣和氮氣，保持工作氣壓1. OPa，其中氮氣的體積分?jǐn)?shù)為10% ；(5)調(diào)整靶材與樣品臺的角度，使二者正對，靶材和樣品臺距離保持10cm，并使樣品臺以0. 2rpm的速率旋轉(zhuǎn)，樣品臺的溫度保持在331，在樣品臺的基底上生長SOOnm厚的氮化鈦薄膜；(6)將制備好的氮化鈦薄膜在空氣條件下，在溫度621退火15min，得到氮化鈦和二氧化鈦的復(fù)合薄膜，帶隙寬度Eg = 2. OeV0實施例4(1)將石英基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)將預(yù)處理過的基底固定在磁控濺射的樣品臺上；(3)采用氮化鈦為靶材，將磁控濺射鍍膜機(jī)腔室抽至5X 10_4Pa的高真空；(4)通入氬氣和氮氣，保持工作氣壓2Pa，其中氮氣的分壓為0. 06Pa ；(5)調(diào)整靶材與樣品臺的角度，使二者正對，靶材和樣品臺距離保持7cm，樣品臺靜止，樣品臺的溫度保持在271與371之間，在樣品臺的基底上生長300nm厚的氮化鈦薄膜；(6)將制備好的氮化鈦薄膜在500K的溫度下，在空氣氛圍中退火150min，得到氮化鈦和二氧化鈦的復(fù)合薄膜，帶隙寬度Eg = 3. OeV0實施例5(1)將硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)將預(yù)處理過的基底固定在磁控濺射的樣品臺上；(3)采用氮化鈦為靶材，將磁控濺射鍍膜機(jī)腔室抽至3 X IO-4Pa的高真空；(4)通入氬氣和氮氣，保持工作氣壓3. OPa，氮氣的分壓為0. 6Pa ；(5)調(diào)整靶材與樣品臺的角度，使二者正對，靶材和樣品臺距離保持13cm，并使樣品臺以0. 5rpm的速率旋轉(zhuǎn)，樣品臺的溫度保持在271和371之間，在樣品臺的基底上生長600nm厚的氮化鈦薄膜；(6)將制備好的氮化鈦薄膜在空氣條件下，900K溫度下退火30min，得到氮化鈦和
二氧化鈦的復(fù)合薄膜，帶隙寬度Eg = 2. SeV0
權(quán)利要求
1.一種帶隙可調(diào)的二氧化鈦/氮化鈦復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟a.用射頻磁控濺射法在基片上沉積氮化鈦薄膜；b.將制備好的氮化鈦薄膜在空氣條件下，在471 971退火IOmin 180min，得到二氧化鈦/氮化鈦復(fù)合薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟a的具體步驟如下(1)對硅基底或石英基底進(jìn)行預(yù)處理；(2)將預(yù)處理過的基底固定在磁控濺射鍍膜機(jī)的樣品臺上；(3)采用氮化鈦為靶材，將磁控濺射鍍膜機(jī)腔室抽真空至壓強為eXlO—Va以下；(4)通入氬氣和氮氣，保持工作氣壓0.8 4Pa ；(5)在樣品臺的基底上生長200 IOOOnm厚的氮化鈦薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于退火溫度為621。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(3)中壓強為O 6)X10_4Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(5)中樣品臺靜止或以0.1 0. 6rpm 的速率旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于濺射前要調(diào)整靶材與樣品臺的角度，使二者正對，靶材和樣品臺距離保持6 15cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(5)中濺射時樣品臺的溫度為273 373Κ0
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(4)中氮氣的體積分?jǐn)?shù)為3 20%。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(1)所述預(yù)處理的方法為用丙酮、 酒精和去離子水依次超聲清洗并晾干。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟( 中氮化鈦薄膜的厚度為800nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于半導(dǎo)體能帶工程領(lǐng)域的帶隙可調(diào)的二氧化鈦/氮化鈦復(fù)合薄膜制備的一種方法。該方法采用射頻磁控濺射的方法在基底上沉積氮化鈦薄膜，將這種薄膜在空氣下不同溫度和時間下退火處理，可以得到不同光學(xué)帶隙的復(fù)合薄膜。復(fù)合薄膜在特定退火溫度和時間處理過程表現(xiàn)出了良好的帶隙可控調(diào)整特性，該制備方法簡單，快速，成本低，可控性較強，在表面自清潔材料、可見光條件下催化分解水制備氫氣和降解有害有機(jī)物的能源和環(huán)境領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。
文檔編號C23C14/06GK102534531SQ20121000643
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者張政軍, 謝拯 申請人:清華大學(xué)