基于納米TiO₂薄膜的結構及紫外可見光譜研究

周麗 張新

摘 要：本文簡要闡述了TiO2納米薄膜的制作過程。實驗以鈦酸丁酯、鹽酸以及去離子水為原料，應用了溶膠-凝膠法與旋轉涂膜工藝。通過實驗對TiO2納米薄膜紫外線光譜進行分析，并探討了影響二氧化鈦薄膜紫外線光譜與禁帶寬度的各類因素。

關鍵詞：二氧化鈦薄膜;紫外線光譜;溶膠--凝膠法

0 引言

納米二氧化鈦自身具備特殊的物理化學性質，能夠作為光物理材料與催化劑，應用于環境污染治理中，對于清潔材料的研發以及環境監測方面具有一定研究潛力。因此，有必要對納米TiO2薄膜的結構及其紫外可見光譜進行實驗研究，令二氧化鈦更加廣泛的應用于環境環保材料的制備中。

1 納米TiO2薄膜結構研究分析

1.1 納米TiO2薄膜的制備

溶膠--凝膠法是當前用于制備二氧化鈦的常用方法，實驗性質為濕式化學法，主要用于制備陶瓷、玻璃的等非有機材料。納米二氧化鈦薄膜的制備主要分為三個階段，分別為制備凝膠溶液、噴涂基底以及干燥基底。實驗采用鈦酸丁酯、無水乙醇以及去離子水，制備溶膠過程需取10mL去離子水加入1mL鹽酸，形成溶液A。令取量杯加入3mL鈦酸丁酯與8mL無水乙醇形混合溶液B，隨后將B溶液勻速滴定至A溶液中，獲得溶膠。在制備凝膠時需要應用旋轉涂膜法，在勻膠機上固定玻璃基片，勻速旋轉25秒后可得到二氧化鈦凝膠。制備過程中還需對玻片基底進行干燥，可以將凝膠置于電熱恒溫干燥箱內干燥15min，再將其置于高溫爐中退火，最終得到二氧化鈦薄膜。近年來，人們不斷在傳統的工藝中改革創新，研發了破膠、回流以及重新分散等先進技藝，進而獲得了無異味的光催化凝膠。

1.2 對納米TiO2薄膜的測試分析

將經過10次甩膜的二氧化鈦薄膜與配比相同的溶膠進行熱處理，利用X衍射線對所得薄膜與粉體科學分析，可以得到相應的衍射圖譜，觀察衍射圖譜可以找到銳鈦礦的特征衍射峰，并在對應處可以觀測到金紅石的衍射峰。通過對測試結果分析可知二氧化鈦粉末為銳鈦礦相，是一金紅石相與銳鈦礦相的混合結構。但是二氧化鈦衍射圖呈現出的衍射信號較為微弱，只能觀測到某一時期的最強衍射高峰，由此可以推測，納米薄膜中的二氧化鈦含量較少，在相同實驗條件之下，粉末的晶化程度高于薄膜。在測試薄膜的透視率時可以應用日立-3010-紫外-可見分光光度計，來觀測紫外透射光譜。在進行測試時，利用未覆膜的玻璃基片作為透射率基準，將其與覆膜玻璃基對比可以反映二氧化鈦薄膜的透射率。

2 納米TiO2薄膜的紫外可見光譜分析

2.1 TiO2薄膜的厚度分析

二氧化鈦筆墨厚度采用三維表面輪廓儀進行測定，射線衍射儀可以分析晶體薄膜的結構，經過掃描電鏡可觀測二氧化鈦的表面形態。通過觀察透射光譜可以得出不同波段內的透射率，影響此階段透射率的原因為二氧化鈦帶間性躍遷吸收。透射率受二氧化鈦膜厚度的影響，通過分析可得薄膜的厚度與紫外光譜透射率具有密切聯系。當薄膜厚度變小時，紫外透射率將下降并向邊緣段波方向移動，邊緣波長的“藍移”與薄膜厚度之間不存在特定關系，但是與二氧化鈦晶粒大小有一定關聯。薄膜晶粒變小時將會產生量子尺寸效應，二氧化鈦的禁帶寬度將增大，其納米膜厚度可以也能夠紫外線光譜實現分析估算。當納米模體較厚時，在紫外透射光譜中將會產生干涉條紋，膜的厚度可以應用干涉條紋的特點實現估算。除了此種方法，還可以利用光譜吸收規律計算不同膜的厚度。計算中需要應用入射光強度、透射光強度、膜自身的吸收強度、膜吸收系數以及膜的厚度。膜的厚度可以由吸光強度與某一時段的波長吸收系數來計算。

2.2 TiO2薄膜的半導體禁帶寬度

在二氧化鈦的半導體結構中，主要存在兩種類型的光激電子躍遷，分別為直接躍遷與間接躍遷，兩種類型電子躍遷可以通過計算二氧化鈦的相對能級圖顯現出來，不同位置處導帶可以進行低能級或高能級的躍遷。直接躍遷與間接躍遷的近代寬度可以通過紫外線光譜數據來計算，通過對實驗分析結果可得，膜的禁帶寬度不受溶膠陳化時間的影響。當熱處理的溫度較低時，二氧化鈦膜的間接躍遷禁寬帶較小，熱處理會對膜的間接躍遷產生影響，但是對直接躍遷不產生影響。厚膜直接躍遷的禁帶寬和間接躍遷禁帶寬都小于薄膜，說明膜厚度對膜的禁帶寬有影響，且膜越厚，其禁帶寬紅移就越多[1]。對于較厚的膜中，粒子表面間的相互作用比較強，這種作用促使二氧化鈦八面體發生畸變，導致厚膜的禁帶寬小于薄膜的禁帶寬。

3 結論

近年來，納米TiO2薄膜的應用與研發受到了廣泛關注，并且經過不斷的深入研究，二氧化鈦薄膜的應用正在逐漸走入人們的生活。納米TiO2的制備方法并不唯一，并且其紫外可見光譜研究也成為了研究熱點。由于可見，未來人們將愈發重視二氧化鈦的應用，提升我國科研技術水平。

參考文獻：

[1]陳霞，周炳卿，松林，李力猛，郝麗媛，韓兵.納米TiO2薄膜的結構及紫外可見光譜研究[J].信息記錄材料，2009， 10（01）：26-30.