溶膠
——凝膠法制備二氧化鈦薄膜及其光學性質研究

周歧剛

（樂山師范學院物理與電子工程學院，四川 樂山 614004）

二氧化鈦是一種兩性氧化物，大多數呈現白色固體或粉末狀，它具有不透明性，無毒性及高白性，熔點也很高，這些性質讓它生活生產上擁有很強的實用性[1]。熔點高使二氧化鈦可以用來制造耐火玻璃、陶瓷以及耐高溫的實驗器皿等，而且二氧化鈦在光催化、太陽能利用、光轉換行業等方面也具有很廣泛的應用。由于二氧化鈦在太陽能電池、環境保護方面有非常重要的作用，人們對二氧化鈦薄膜也進行了廣泛的研究，以期獲得更加優異的結構和性能[2]。本實驗研究了二氧化鈦薄膜的溶膠-凝膠法制備工藝以及鋅摻雜對其結構和性能的影響。

1 TiO2薄膜的實驗制備

目前，國內常用的二氧化鈦薄膜制備方法很多，如：磁控濺射法、分子束外延、脈沖激光沉積法、化學氣相沉積法以及溶膠凝膠法。溶膠－凝膠法就是在液相下將原料均勻混合，使其產生水解，發生縮合、聚合化學反應，在溶液中構成穩定的透明溶膠體系，經過長時間的陳化，凝膠網絡間的溶劑失去了流動性，凝膠就由此而成。在本文實驗過程中加入了螯合劑，螯合劑的作用是使所配置的溶膠穩定可以減少發生水解反應的概率。本實驗采用的螯合劑是乙酰丙酮，乙酰丙酮可以弱化醇鹽的水解-聚合反應活性，致使所需物質不會發生其它的化學反應，產生其他物質，影響實驗結果。溶膠凝膠法與其他工藝相比具有很多獨一無二的優點，如：①在形成溶膠時，反應物可以進行很均勻的反應，從而可以保證所得溶膠中的物質是均勻混合的，極大提高實驗的成功率；②溶膠凝膠法主要是由化學反應得到的，不需要非常高的溫度，實驗條件極易達成。

本實驗中采用勻膠機，通過旋涂法在石英基片上得到鋅摻雜的二氧化鈦濕膜，在500℃預處理20分鐘，再重復這種工藝步驟8次來增加薄膜厚度以及減輕薄膜開裂，預處理的薄膜達到所需要的厚度后，在700℃退火30分鐘，最后得到不同濃度鋅摻雜的二氧化鈦薄膜，分別為未摻雜的TiO2薄膜和鋅鈦比分別為1∶3、1∶2、1∶1的鋅摻雜TiO2薄膜。

2 實驗結果與分析

2.1 X射線衍射圖譜分析

圖1 Zn摻雜和未摻雜TiO2的X射線衍射圖譜

本實驗通過X-射線衍射的特征峰與標準譜對比來確定所制備的薄膜的物相結構，圖1為未摻雜以及鋅鈦比為1∶1鋅摻雜TiO2薄膜的X射線衍射圖譜。從圖1中可觀察到特征峰2=27.491、36.019和54.022°，均顯示出了金紅石相的特征峰，分別對應（110）、（101）、（211）面。觀察到出現了一個銳鈦礦相的特征峰2=28.679°，說明此次實驗制備的二氧化鈦薄膜處于從銳鈦礦相向金紅石相轉變的過程中，還沒有完全改變，所以所制備的TiO2薄膜不是純的金紅石型（經過與空白石英基片的X射線衍射結果對比，圖1中未標記的峰大都來自石英基片）。由圖1還可以看出，鋅摻雜的二氧化鈦薄膜與未摻雜的幾乎重合，也無新特征峰的出現，由此可知本實驗鋅摻雜濃度中沒有導致TiO2結構的改變。研究表明，雜質原子可以以氧化物或離子的形式進入到二氧化鈦的晶格中，在不顯著影響其結構的情況下，卻可以調整材料的禁帶寬度，導致其電學、光學等性質的改變。所以，本實驗又測試了薄膜的透光率圖譜。

2.2 紫外-可見分光光度計測試結果

圖2為未摻雜的TiO2薄膜和鋅鈦比分別為1∶3、1∶2、1∶1的鋅摻雜TiO2薄膜的紫外-可見光透光率測試結果。

圖2 TiO2薄膜與摻雜Zn的TiO2薄膜透光率

從圖2中可以看出，四個樣品的透射率譜線在400nm～900nm之間有一定起伏，說明所制備的薄膜均勻性比較好，該波段范圍內透光率大約在60%～90%之間變化。

四個樣品分別在350nm～550nm以及550nm～900nm之間都有兩個峰，在330nm～400nm之間存在吸收邊，小于330nm的光透射率為0（即薄膜對該波長范圍的光強烈吸收）。透光譜圖中，三個摻雜樣品的峰位隨著鋅摻雜量的增加規律性地向短波方向移動，這主要源于鋅摻雜改變了TiO2薄膜材料的禁帶寬度。

3 結論

本論文以鈦酸丁酯為主要原材料，以冰醋酸作為溶劑，乙酰丙酮為螯合劑，采用溶膠-凝膠法在石英基片上制備鋅摻雜的二氧化鈦薄膜。XRD和紫外-可見分光光度計透光率大小的測試結果表明，Zn摻雜基本沒有改變TiO2薄膜的晶體結構，但卻對薄膜的紫外-可見光透光率，即光吸收特性作規律性的影響。