玻璃基板上自誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積制備TiO2納米線及其性能的研究.pdf

1、本文采用了新穎的常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）的方法，以 SiH4和TiCl4為反應(yīng)前驅(qū)體，N2氣作為稀釋氣體和保護(hù)氣體，在玻璃基板上先沉積生成Ti5Si3薄膜層，然后在誘導(dǎo)薄膜層基礎(chǔ)上以熱氧化法自誘導(dǎo)生長(zhǎng)出了高密度的單晶TiO2納米線。摸索了反應(yīng)參數(shù)（沉積溫度、沉積時(shí)間、反應(yīng)總氣流量以及Si/Ti摩爾比）對(duì)TiO2納米線結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，并對(duì)生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了討論。本課題研究表明：
　　（1）采用自誘導(dǎo)APCVD法在玻璃基板上成

2、功地制備了高密度的單晶TiO2納米線，誘導(dǎo)層薄膜為六方結(jié)構(gòu)的Ti5Si3相。納米線長(zhǎng)約0.5-2μm，直徑20-40nm左右，長(zhǎng)徑比超過25。所制備的TiO2納米線為四方晶系的金紅石相，納米線的生長(zhǎng)是垂直于其（110）面的[001]方向，由薄膜層開始向上生長(zhǎng)，此過程可以稱之為自誘導(dǎo)生長(zhǎng)。
　?。?）Ti5Si3薄膜層上TiO2納米線的晶相結(jié)構(gòu)和表面形貌受制備工藝條件（沉積溫度、沉積時(shí)間、反應(yīng)總氣流量以及Si/Ti摩爾比）的影響。沉

3、積溫度越高，TiO2納米線成核驅(qū)動(dòng)力越大，其成核和生長(zhǎng)速率快，從而導(dǎo)致其結(jié)晶度和密度越大，且長(zhǎng)度越長(zhǎng)，長(zhǎng)徑比越大。720℃為最佳的沉積溫度，此時(shí) TiO2晶相含量最高，Ti5Si3薄膜層上有濃密的納米線生成，長(zhǎng)度約0.5-2μm，直徑20-40nm。
　?。?）沉積時(shí)間主要是影響 Ti5Si3薄膜層的厚度與結(jié)晶度，再對(duì)下一步自誘導(dǎo) TiO2納米線的形成產(chǎn)生影響。隨著沉積時(shí)間增加，玻璃表面形成的Ti5Si3薄膜層厚度增加、顆粒尺寸減

4、小、排列分布平整致密、比表面積增大，氧原子與鈦原子接觸反應(yīng)的幾率變大，誘導(dǎo)形成的TiO2晶相含量增加，生長(zhǎng)出較長(zhǎng)和較大長(zhǎng)徑比的納米線。
　　（4）反應(yīng)總氣流量的變化會(huì)影響噴頭處的氣流速度以及單位體積內(nèi)反應(yīng)氣體中SiH4和TiCl4的濃度，從而影響Ti5Si3薄膜層的結(jié)晶程度及表面形貌和TiO2納米線的誘導(dǎo)生成。隨著反應(yīng)總氣流量的增大，氣體流速變大，反應(yīng)沉積速率以及原子的擴(kuò)散速率增加，使得Ti5Si3薄膜層有足夠的時(shí)間結(jié)晶，致密度增

5、加，有利于進(jìn)一步自誘導(dǎo)生成TiO2納米線，從而TiO2晶相含量的增加及生長(zhǎng)出較高密度和長(zhǎng)徑比的納米線。但當(dāng)總氣流量過大時(shí)（2000sccm）時(shí)，氣流速度太快，使得噴頭與玻璃基板間產(chǎn)生氣流紊亂區(qū)，不利于Ti5Si3的成核生長(zhǎng)，樣品成非晶態(tài)，無TiO2納米線的生成。
　　（5）反應(yīng)Si/Ti摩爾比是控制硅化鈦誘導(dǎo)薄膜層中Ti5Si3晶相的形成的根本因素，進(jìn)而影響TiO2納米線的自誘導(dǎo)生成，最佳生成Ti5Si3晶相的Si/Ti摩爾比為1

6、，此時(shí)Ti5Si3結(jié)晶度好且晶相含量高，誘導(dǎo)生成的TiO2納米線細(xì)長(zhǎng)濃密。
　?。?）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TiO2納米線的光催化性能和親水性能隨TiO2的表面形貌、晶粒大小（比表面積）、晶相結(jié)構(gòu)及含量的改變而改變。結(jié)晶度高，TiO2晶相含量高，比表面積大，生長(zhǎng)濃密的納米線表現(xiàn)出最佳的光催化活性，對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的光催化降解率最高可達(dá)80％，同時(shí)其也更有利于水滴的鋪展，親水性更好。
　?。?）制備的樣品表面形成的TiO2/Ti5Si3

7、復(fù)合薄膜體系表面出優(yōu)異的電學(xué)性能，方塊電阻低，導(dǎo)電性好，方塊電阻最小值為0.723?/sq。結(jié)果表明：樣品表面的方塊電阻除了與 TiO2與 Ti5Si3晶相種類和含量有關(guān)，還極大地取決于其表面形貌（堆積密度、顆粒尺寸及分布排列），樣品表面的致密度越大，顆粒尺寸越小，排列分布均勻，則單位厚度上所含的TiO2與 Ti5Si3晶相數(shù)量越多，從而其導(dǎo)電性越好。
　　總之，本方法對(duì)設(shè)備要求低，效率高，產(chǎn)量大；可以在各種固態(tài)基板上方便制備氧化