專(zhuān)利名稱：一種磁控濺射制備TiO₂納米管薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備TiO2納米管陣列膜的方法，屬于TiO2薄膜無(wú)機(jī)材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
TiO2納米管陣列在光敏化、染料敏化太陽(yáng)能電池、氣體傳感器及生物技術(shù)等方面都有廣泛的應(yīng)用。迄今，已有多種方法被用來(lái)制備TiO2納米管陣列，如金屬鈦的陽(yáng)極氧化、在多孔氧化鋁模板上進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)、晶核生長(zhǎng)、水熱法等。然而，上述方法過(guò)程都較復(fù)雜，在制備過(guò)程中容易發(fā)生污染，摻入雜質(zhì)而影響性能。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，I. Turkevych等研究者曾在《Thin Solid Films》 第516卷(2008年)2387-2391頁(yè)報(bào)道了通過(guò)射頻磁控濺射直接在多孔氧化鋁模板上制備TiO2納米管陣列薄膜的方法。該方法為一步法濺射TiO2納米管陣列薄膜，濺射后的薄膜形狀固定，因此僅適用于平滑表面，而無(wú)法適應(yīng)形狀多變的材料表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)在多孔氧化鋁模板上濺射和氧化結(jié)合法制備TiO2納米管陣列薄膜的方法。通過(guò)本方法，磁控濺射后的Ti納米管陣列/多孔氧化鋁復(fù)合薄膜可先放置在不同形狀的材料表面，通過(guò)溶解去除多孔氧化鋁后，剩余的Ti納米管陣列薄膜因柔性好，而與接觸的材料表面共形，然后通過(guò)在空氣中熱處理氧化即可得到預(yù)想形貌的TiO2納米管陣列薄膜。本發(fā)明一種磁控濺射制備TiO2納米管薄膜的方法，其特征在于具有以下的過(guò)程和步驟
I、一種磁控濺射制備TiO2納米管薄膜的方法，其特征在于具有以下的過(guò)程和步驟
a.通過(guò)磁控濺射在多孔氧化鋁模板上沉積鈦
所述的多孔氧化鋁模板，其微孔直徑為150-250 nm，微孔間距為180-280 nm;首先，將所述的多孔氧化鋁模板置入直流濺射儀的真空腔中，真空腔中的真空度達(dá)到1X10,mbar ;濺射功率為O. 7 W/cm2，工作壓強(qiáng)為I. 9 Pa ；
b.溶解去除多孔氧化鋁模板
將濺射鈦后的多孔氧化鋁模板放置在一平板玻璃表面，讓濺射鈦的一面朝下，然后將處理后的氧化鋁模板和平板玻璃一起浸入O. I mol/L的NaOH溶液中，在室溫下放置30-60分鐘；
c.對(duì)濺射的鈦層進(jìn)行退火熱處理
將溶解掉氧化鋁模板后的鈦納米管薄膜和平板玻璃在空氣環(huán)境中進(jìn)行退火處理，熱處理溫度為400 °C，熱處理時(shí)間為6小時(shí)；最終得到平板玻璃表面上的TiO2納米管薄膜。本發(fā)明制備得到的產(chǎn)物的物理化學(xué)特征為顏色為無(wú)色透明，不溶于酸堿溶液。通過(guò)X射線衍射分析得到產(chǎn)物的晶相為多晶銳鈦礦結(jié)構(gòu)。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡的觀察，納米管外徑為150-250 nm，管間距為180-280 nm，其外徑、管間距完全復(fù)制了多孔氧化鋁模板的孔洞，管壁厚度平均為12 nm。從橫截面觀察，納米管陣列薄膜可大致分為直立的納米管陣列與連續(xù)的薄膜兩部分。其中，納米管高度約為500 nm，連續(xù)薄膜厚度隨濺射時(shí)間改變。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu) 點(diǎn)在于本發(fā)明制備的TiO2納米管陣列薄膜對(duì)基底形狀的適應(yīng)性強(qiáng)，可制備成不同宏觀形貌的薄膜，使其適用范圍大為增加，拓展了 TiO2納米管陣列在光敏化、染料敏化太陽(yáng)能電池、氣體傳感器及生物技術(shù)等方面的應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例I中TiO2納米管陣列膜的X射線衍射譜圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例I中TiO2納米管陣列膜掃描電子顯微照的側(cè)視圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例I中TiO2納米管陣列膜掃描電子顯微照的俯視圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例I中濺射面掃描電子顯微照的俯視圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以下發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程。實(shí)施例I
步驟I:將一雙面通孔的多孔氧化鋁模板放置在直流磁控濺射儀的真空腔中，多孔氧化招模板購(gòu)自Whatman公司，型號(hào)AnodiSC 47,膜形狀為圓形片狀,直徑為43 mm,厚度為60μπι，孔徑為200 nm。在濺射沉積鈦之前，濺射腔中的真空先抽到4 X 10_9 mbar以下，為了防止鈦與腔中殘余的氧氣反應(yīng)，濺射腔中的真空用升華泵進(jìn)一步抽到1X10, mbar以下。濺射在相對(duì)較低的功率下進(jìn)行，濺射功率為O. 7 W/cm2，工作壓強(qiáng)為I. 9±0. 2 Pa，濺射時(shí)間為20分鐘。步驟2 :將濺射鈦后的多孔氧化鋁模板放置在一小塊平板玻璃(I. 5 cmX1.5 cm)表面，讓濺射鈦的一面朝下，用滴管吸取O. I mol/L的NaOH水溶液，緩慢浸潤(rùn)濺射鈦后的多孔氧化鋁模板，使模板完全浸潤(rùn)在溶液中，放置30分鐘，使模板完全溶解。然后,用蒸餾水緩慢稀釋并取代NaOH水溶液，最后，將樣品放置在干燥環(huán)境中使水蒸干。步驟3 :將鈦納米管陣列薄膜與平板玻璃共同放入熱處理爐中，在空氣環(huán)境中加熱，升溫速度為I °c/分，熱處理溫度為400 °C，保溫時(shí)間為6小時(shí)，降溫速度為I °C/分，最終得到TiO2納米管陣列薄膜。儀器檢測(cè)
TiO2納米管陣列薄膜的X射線衍射譜見(jiàn)圖1，衍射峰的位置和相對(duì)強(qiáng)度都與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射譜的JCPDS 21-1272吻合，說(shuō)明得到的晶相是無(wú)擇優(yōu)取向的多晶銳鈦礦結(jié)構(gòu)。圖2為制備好的TiO2納米管陣列薄膜掃描電子顯微照的側(cè)視圖，可以看到樣品可大致分為T(mén)iO2納米管陣列和連續(xù)薄膜兩部分，其中，TiO2納米管陣列是濺射進(jìn)多孔氧化鋁模板孔洞內(nèi)的部分，連續(xù)薄膜為濺射在多孔氧化鋁模板表面的部分。TiO2納米管高度約為500 nm，連續(xù)薄膜厚度約為160 nm。圖3顯示了 TiO2納米管陣列的俯視圖，管外徑平均約200 nm，管壁厚約12nm。圖4顯示了濺射面的俯視圖，可以看到在濺射面上仍有孔洞存在，孔徑約120 nm。
本方法的有益效果是該方法方便、可行，綜合了多孔氧化鋁模板面積大、孔洞分布均勻、孔洞直和濺射法精確、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，可大面積制備TiO2納米管陣列薄膜，TiO2納米管陣列的形貌可復(fù)制多孔氧化鋁模板。制備的TiO2納米管陣列薄膜宏觀形貌可隨其載 體形狀改變，使其使用范圍大為增加，拓展了 TiO2納米管陣列在光敏化、染料敏化太陽(yáng)能電池、氣體傳感器及生物技術(shù)等方面的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種磁控濺射制備TiO2納米管薄膜的方法，其特征在于具有以下的過(guò)程和步驟 a.通過(guò)磁控濺射在多孔氧化鋁模板上沉積鈦 所述的多孔氧化鋁模板，其微孔直徑為150-250 nm，微孔間距為180-280 nm;首先，將所述的多孔氧化鋁模板置入直流濺射儀的真空腔中，真空腔中的真空度達(dá)到1X10,mbar ;濺射功率為O. 7 W/cm2，工作壓強(qiáng)為I. 9 Pa ； b.溶解去除多孔氧化鋁模板 將濺射鈦后的多孔氧化鋁模板放置在一平板玻璃表面，讓濺射鈦的一面朝下，然后將處理后的氧化鋁模板和平板玻璃一起浸入O. I mol/L的NaOH溶液中，在室溫下放置30-60分鐘； c.對(duì)濺射的鈦層進(jìn)行退火熱處理 將溶解掉氧化鋁模板后的鈦納米管薄膜和平板玻璃在空氣環(huán)境中進(jìn)行退火處理，熱處理溫度為400 °C，熱處理時(shí)間為6小時(shí)；最終得到平板玻璃表面上的TiO2納米管薄膜。
全文摘要
本發(fā)明一種磁控濺射制備TiO2納米管薄膜的方法，屬于TiO2薄膜無(wú)機(jī)材料制備技術(shù)領(lǐng)域。具體的說(shuō)，是一種通過(guò)多孔陽(yáng)極氧化鋁模板的限制，利用磁控濺射技術(shù)和退火處理制備TiO2納米管陣列膜的方法。其步驟包括首先，通過(guò)磁控濺射在多孔氧化鋁模板上沉積鈦；其次，溶解去除多孔氧化鋁模板；最后，對(duì)濺射的鈦層進(jìn)行退火熱處理。通過(guò)本方法，磁控濺射后的Ti納米管陣列/多孔氧化鋁復(fù)合薄膜可先放置在不同形狀的材料表面，溶解去除多孔氧化鋁后，剩余的Ti納米管陣列薄膜因柔性好，而與其接觸的材料表面共形，然后通過(guò)在空氣中熱處理氧化即可得到預(yù)想形貌的TiO2納米管陣列薄膜。本方法可以低成本、高效率地制備TiO2納米管有序陣列，為制備超大規(guī)模納米器件提供了優(yōu)異的組件。
文檔編號(hào)C23C14/04GK102691047SQ20121021173
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者任鑫, 趙彬 申請(qǐng)人:上海大學(xué)