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微弧氧化制备氮掺杂纳米晶TiO2薄膜摘要：以十水合四硼酸钠、氢氧化钠、六次甲基四胺为电解液，采用双脉冲微弧氧化方法在钛基底直接制备纳米晶TiO2薄膜。
钛基底微弧氧化所生长的TiO2薄膜表面由直径10～60 nm的小颗粒堆积成多孔菜花状。
脉冲频率对薄膜的组分、孔隙率和表面粗糙度都有较大的影响，而生长时间则通过小颗粒堆积影响薄膜的表面粗糙度。
高频条件下薄膜中锐钛矿相含量比低频时稍高，单次脉冲期间反应生成物的温度是控制锐钛矿相与金红石相比例的主要因素。
关键词：微弧氧化；纳米晶TiO2；薄膜；氮掺杂Preparation of N Dopped Nano TiO2 Film by Microarc OxidationAbstract：Cauliflower-like N doped nano titania film，of which the surface was stacked by nano-particles with diameter of 10～60 nm，was prepared on titanium substrate by dipulse microarc oxidation in the electrolyte of Na2B4O7·10H2O，NaOH，and C6H12N4. The frequency was a main factor on constituents，porosity and roughness of the film，while the processing time would impact the surface roughness through accumulation of particles. Under higher frequency conditions，TiO2 films have more anatase phase than rutile phase，and it could be attributed to the control of outgrowth temperature during single pulse. While under lower frequency conditions，the band gap narrowing of N doped TiO2 films became more obvious.Key words：microarc oxidation；nano TiO2 film；N doped农药残留对生态环境的危害巨大，对环境中的残留农药进行有效降解已经成为科学研究的热点之一[1-4]。
原子层沉积工艺参数机理 tio2
原子层沉积（ALD）是一种可以将物质以单原子膜的形式一层一层的镀在基底表面的薄膜沉积技术。
ALD 技术在制备高质量薄膜材料时，需要考虑前驱体的选择、前驱体脉冲时间和沉积温度等工艺参数。
在利用原子层沉积技术制备 TiO2薄膜时，前驱体需要满足良好的挥发性、足够的反应活性以及一定的热稳定性，并且不能对薄膜或衬底具有腐蚀或溶解作用。
前驱体脉冲时间需要保证单层饱和吸附，而沉积温度应保持在ALD窗口内，以避免因前驱体冷凝或热分解等引发CVD生长从而使得薄膜不均匀。
ALD 技术可以精确控制薄膜的厚度和成分，从而制备出高质量的 TiO2薄膜。
在结焦实验中，TiO2薄膜的抗积碳钝化性能普遍优于 SiO2薄膜。
沉积周期数为1000的 TiO2膜层具有最佳的抗积碳钝化效果，能够使反应器的运行时间延长4-5倍。
二氧化钛光沉积原理一、引言二氧化钛（TiO2）作为一种功能性材料，具有广泛的应用前景，包括光催化、防污染、光电子器件等领域。
而二氧化钛的制备方法有很多，其中光沉积是一种常用且有效的制备方法。
本文将介绍二氧化钛光沉积的原理和相关的研究进展。
二、二氧化钛光沉积原理二氧化钛光沉积是利用光化学反应在固体表面沉积二氧化钛薄膜的方法。
其原理主要基于光生电荷的产生和转移过程。
光照下，二氧化钛表面吸收光能，产生电子-空穴对。
其中电子（e-）通过二氧化钛晶体结构传导到表面，并参与氧化反应；空穴（h+）则通过表面吸附的氧气分子进行还原反应。
这种光生电荷的产生和转移使得二氧化钛表面发生氧化和还原反应，从而沉积出二氧化钛薄膜。
三、实验方法二氧化钛光沉积的实验方法主要包括溶液法和气相沉积法。
溶液法是将含有金属钛离子的溶液浸泡在基底上，然后经过光照处理，使金属钛离子还原生成二氧化钛。
而气相沉积法则是将二氧化钛前体气体通过热分解或化学反应在基底表面沉积生成二氧化钛薄膜。
这两种方法各有优势和适用范围，可以根据具体需求选择不同的方法。
四、光沉积条件的影响因素光沉积过程中，光照强度、光照时间和溶液浓度等因素都会对沉积效果产生影响。
光照强度越高，光生电荷对的产生和转移速率越快，沉积速度也会加快。
光照时间的延长可以增加光生电荷对的数量，从而增加沉积的厚度。
而溶液浓度则会影响到反应速率和沉积速度。
合适的光沉积条件可以提高沉积效率和质量，需要根据具体实验进行优化。
五、二氧化钛光沉积的应用二氧化钛光沉积方法制备的二氧化钛薄膜具有较高的光催化活性，可用于水处理、空气净化等领域。
此外，二氧化钛薄膜还具有优异的光电特性，可用于光电子器件的制备，如太阳能电池、光电催化电池等。
另外，二氧化钛光沉积还可以用于表面涂层的制备，提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。
六、发展趋势与展望随着对清洁能源和环境保护的需求日益增加，二氧化钛光沉积作为一种环境友好、高效的制备方法，将得到更广泛的应用。
新能源综合报告 实验题目：Tio2薄膜的制备和微细加工 学院：物理与能源学院 专业：新能源科学与工程 学号：******* 汇报人： 指导老师：*** 一、预习部分（课前完成） 〔目的〕： 1、用溶胶-凝胶法制备Tio2光学薄膜。 2、学习紫外掩膜辐照光刻法制备Tio2微细图形。 3、微细图形结构及形貌分析。 〔内容〕 1、了解溶胶凝胶制备薄膜的原理。 2、了解常见的微细加工的方法。 3、充分调研文献资料，确定实验方案。 4、实验制备和数据分析。 ①、制备出感光性的Tio2薄膜凝胶，掌握制备工艺。 ②、对Tio2凝胶薄膜进行紫外掩膜辐照。 ③、制备出Tio2微细图形并进行热处理。 ④、测试Tio2微细图形的结构和形貌特征，处理并分析数据。 〔仪器〕：(名称、规格或型号)
紫外点光源、马沸炉、提拉机、光学显微镜、磁力搅拌器、紫外可见光分光光度计、提供制备Tio2材料的前驱物，溶剂等。
二、实验原理 1、Tio2的基本性质 Tio2俗称太白粉，它主要有两种结晶形态：锐钛型和金红石型，其中锐钛型二氧化碳活性比金红石型二氧化钛高。 特点：它是一种n型半导体材料，晶粒尺寸介于1~100 nm，TiO2比表面积大，表面活动中心多，因而具有独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，呈现出许多特有的物理、化学性质。 应用：在涂料、造纸、陶瓷、化妆品、工业催化剂、抗菌剂、环境保护等行业具有广阔的应用前景，TiO2半导体光催化剂因光催化效率高、无毒、稳定性好和适用范围广等优点而成为人们研究的热点。 纳米TiO2的制备方法： 物理制备方法：主要有机械粉碎法、惰性气体冷凝法、真空蒸 发法、溅射法等； 物理化学综合法：又可大致分为气相法和液相法。目前的工业化应用中，最常用的方法还是物理化学综合法。 2、溶胶-凝胶法的基本概念 溶胶：是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中,并且不停地进行布朗运动的体系。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高,溶胶是热力学不稳定体系。 溶胶分类：根据粒子与溶剂间相互作用的强弱,通常将溶胶分为亲液 型和憎液型两类。 凝胶：是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联,形成空间网状结构,在网 状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。对于热力学不稳定的溶胶,增加体系中粒子间结合所须克服的能量可使之在动力学上稳定。 溶胶-凝胶法原理 溶胶凝胶法是将金属醇盐或无机盐作为前驱体，有机前驱体经过水解和缩聚反应形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的涂层。 溶胶粒子按照一定的机理生成，扩散而形成分散状的聚集体，当溶胶中的液相因温度变化，搅拌作用、化学反应或电化学作用而部分失水时，体系黏度增大，达到一定浓度时形成凝胶，将凝胶经过成型、老化、热处理工艺，可得到不同形态的产物，本实验一钛酸丁酯为基本原料，将钛酸丁酯融入有机溶液中，然后滴加到含有95%乙醇和冰醋酸的混合溶液中，由于被滴溶液含有谁，钛酸丁酯会发生水解，通过恒温磁力搅拌器不断搅拌，从而控制是钛酸丁酯均匀水解，见笑了水解产物的团聚，得到颗粒细小切均匀的溶胶溶液。
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。 缩聚反应：(1)失水缩聚：-M-OH+HO-M=-M-O-H-+错误!未找到引用源。 (2)失醇缩聚：-M-OR+HO-M=-M-O-M-+ROH
钛酸丁酯的水解和缩聚反应： 溶胶-凝胶法工艺流程 溶胶凝胶法中的结构演变 如图:图中A为溶胶,溶胶颗粒均匀分散在溶剂中;溶胶颗粒在不断的碰撞中联结成线状,之后又构成三维网络,如图中B所示,这是凝胶形成的初步:图中C为凝胶的老化过程,这个过程随着溶剂的蒸发,凝胶颗粒在溶液的表面张力等作用下,颗粒接触边界发生缩颈(necking),颗粒间形成有机键结合,凝胶强度增加;随着凝胶化的进一步进行,凝胶网络间隙中溶剂挥发完全,形成含有大量溶剂挥发留下的孔隙的干凝胶(图l一2中(D));在进
混合液 钛酸丁酯 无水乙醇
二次蒸馏水
研磨、烘焙
浓硝酸
搅拌
混合液 均匀混合液 真空干燥 黄色晶体 搅拌 均匀混合液黄色
无白色纳米二氧化钛粉末
无水乙醇 一步的干燥过程中,孔隙收缩(图1一2(E)),最后形成含有少量微小孔隙的非晶态玻璃体。如果进一步进行高温热处理,将转变成晶体,形成陶瓷或无机薄膜。 用这种方法制备的薄膜在干燥过程中易龟裂(由于大量溶剂的蒸发所产生的残余应力而引起的)客观地限制着所制备薄膜的厚度。因此,膜厚不仅是其它制备方法遇到的问题,溶胶一凝胶方法也同样存在这方面的问题。
溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜优点: ①、可通过简单的设备,在各种规格和各种形状的机体表面形成涂层;可获得高度均匀的多组分涂层和特定组分的不均匀涂层; ②、可获得粒径分布比较均匀的涂层;可通过多种方法对薄膜的表面结构和性能进行修饰; ③、负载膜催化剂易回收利用,在催化反应中容易处理。 溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜缺点: ①、干燥过程中由于溶剂蒸发产生残余应力导致薄膜容易龟裂; ②、焙烧时由于有机物的挥发及聚合骨架的破坏,易导致薄膜龟裂出现裂缝,甚至脱落; ③、薄膜的应力影响限制了薄膜的厚度; ④、溶胶的粘度、温度、浓度和机体的波动等因素影响制备 的薄膜质量; ⑤、由于机体比较光滑,薄膜与机体之间作用力小,负载牢固性差。 3、光刻技术的基本知识 光刻工艺利用光敏的抗蚀涂层(光刻胶)发生光化学反应，将已经设计好的图形从掩膜板（mask）传递到芯片表面的光刻胶掩膜。光刻工艺的水平用分辨率、光刻精度、对准精度及缺陷密度等指标来度量。 光刻技术由三要素组成：光刻胶、掩膜板和光刻机。 光刻胶：又称为光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变。光刻胶有正负之分，正胶的基体是相对不可溶的苯酚-甲醛聚合物，也称为苯酚-甲醛树脂，在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成可溶状态；负胶的基体大多数是聚异戊二烯类型的聚合物，曝光后会由非聚合态变为聚合态，形成一种互相粘结的抗刻蚀物质。直到20世纪70年代中期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，到20世纪80年代，正胶逐渐被接受。正胶的分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶；负胶的分辨率差，适于加工线宽≥3μm线条。正胶使用水溶性溶剂显影而负胶使用有机溶剂显影。光刻过程中，光刻胶通过旋涂工艺（见实验一）在硅片（玻璃）衬底上经涂覆制备成薄膜后供下道工序使用。光刻胶的折射率和玻璃接近约为1.45。 掩膜板（mask）：是光刻技术工艺流程的关键要素，也是限制最小光刻分辨率（线宽）的瓶颈之一。应用于光电子器件芯片制造的光掩膜一般为高敏感度的铬板(chrome)，是由基板和不透光材料两个部分组成的光刻图样。基板通常是高纯度、低反射率和低热膨胀系数的石英玻璃，不透光层是通过溅射方法镀在玻璃上厚约0.1um的铬层。 光刻机是将光源、掩膜板和涂覆有光刻胶薄膜的衬底片依次固定安放，使一定的波长的光线通过掩膜板投射到光刻胶薄膜上，形成与掩膜板的图形相反的感光区，对光刻胶进行曝光的装置。光刻机的种类很多，按照光源分类，主要有紫外(UV)光刻机、深紫外(DUV)光刻机、极紫外(EUV)光刻机和X射线(X-ray)光刻机。目前产业中使用最多的是前两种光刻机。 当光刻胶薄膜经光刻机曝光，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形成了版图图形，为后序的薄膜刻蚀、掺杂等器件工艺做好准备。 随着光电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经超出了许多传统领域，几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形成过程。因此，未来光刻技术的发展会更加多样，如深紫外和极紫外光刻、电子束光刻技术和激光直写光刻技术的开发，纳米压印和扫描探针光刻等新技术的发展和应用。 由于在溶胶中掺入了一定量的光敏剂,使得凝胶膜具有感光性,用紫外照射(35Onm)约100s，紫外线照过的地方薄膜完整保留, 而未照射的部分被完全溶解, 在基板上形成凝胶薄膜的微细图案。紫外线照射到感光性薄膜时, 随着感光性螯合物的分解, 薄膜在乙醇中的溶解性也发生变化, 利用这一特性可以对二元系薄膜进行微细加工,紫外光通过具有微细图案的玻璃掩膜照射薄膜, 再通过在乙醇中的溶解, 便形成了如下图所示（图a及图b）的薄膜图案。由于光照前后凝胶膜在某些溶液中的溶解度会发生变化,原可溶解的凝胶膜经光照后在该溶液中不再溶解,因此可以用这种化学溶液(一般用乙醇、甲醇等有机溶剂)溶解掉未曝光的部分,形成所需的器件图形。如下图为光刻原理图：
（a） （b）
