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第38卷第1期

龐世紅 等：常壓化學氣相沉積法制備二氧化鈦薄膜的沉積工藝及薄膜均勻性

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材料的制造成本。在APCVD系統(tǒng)中，氣體的輸運過程控制著氣相內(nèi)及氣相與固相之間的化學反應，(RO)3Ti–O–Ti(RO)3+H2O→

(RO)3Ti–O–Ti(RO)2OH+ROH (3) 它決定了化學氣相沉積過程的結果，如：沉積的厚度均勻性、薄膜沉積的速度、反應物的利用效率等。

實驗研究了在浮法玻璃表面利用常壓化學氣相沉積法制備TiO2薄膜的工藝條件，探討了氧氣和水蒸氣的添加對薄膜沉積速率的影響；比較了不同沉積溫度下薄膜的沉積速率以及不同的噴嘴與襯底之間距離對薄膜均勻性和沉積速率的影響，同時還對薄膜的光催化降解性能進行了表征。

1 實 驗

1.1 樣品制備

制備二氧化鈦薄膜樣品的襯底用普通的浮法玻璃，尺寸為400 mm × 300 mm × 5 mm。薄膜的沉積在自制的化學氣相沉積爐中進行，襯底的溫度為300～650 ℃。反應物利用鈦酸異丙酯(isopropyl titanate，TTIP；淄博化工涂料公司產(chǎn)；純度為99.00%)，氮氣作為載氣，氧氣和水蒸氣作為反應催化劑。通過鼓泡的方式用載氣將反應物TTIP帶入反應器；TTIP采用油浴加熱，油的溫度為100 ℃。氧氣和水蒸氣的溫度也為100 ℃，并且它們和反應物在反應器內(nèi)才開始混合。薄膜制備過程中，襯底的運行速率為100 mm/s。 1.2 性能測試

薄膜的厚度用Gaertner Scientific公司產(chǎn)L116SF型橢偏儀測量。薄膜的沉積速率通過計算得出。首先記錄薄膜的沉積時間，用橢偏儀測出薄膜的厚度，用薄膜厚度除以沉積時間得到沉積速率。薄膜的厚薄差是在襯底寬度方向上確定一條直線，用橢偏儀測出該直線上的五點薄膜厚度，用最大厚度減去最小厚度，得到薄膜的厚度差。

薄膜光催化性能的測試，采用光催化降解甲基橙水溶液的方法，甲基橙水溶液的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，紫外光強度為1 mW/cm2。

2 結果與討論

2.1 水蒸氣對TiO2薄膜沉積速率的影響 CVD法制備TiO2薄膜的過程中，在有少量水蒸氣存在的條件下，鈦酸丙酯很容易水解并生成Ti—O鍵，反應如下： (RO)3TiOR+H2O→(RO)3TiOH+ROH (1) (RO)3TiOH+ROTi(RO)3→(RO)3TiOTi(RO)3+ ROH (2)

(RO)3Ti–O–Ti(RO2)OH+ROTi(RO)3→

(RO)3Ti–O–Ti(RO)2–O–Ti(RO)3+ROH (4) 其中，R = C3H7。由于上述水解反應非常迅速而且水解的中間產(chǎn)物更容易熱解，因此，水蒸氣的存在會加速TiO2薄膜的沉積。圖1是在襯底溫度為300 ℃時，水蒸氣含量與TiO2薄膜沉積速率的關系。由圖1可以看出：隨著水蒸氣含量的增加，TiO2薄膜的沉積速率逐漸增加，水蒸氣含量為50 mg/L時薄膜的沉積速率最高，水蒸氣含量大于50 mg/L后薄膜的沉積速率逐漸降低。這是由于隨著水蒸氣濃度的增加，發(fā)生水解反應的反應物數(shù)量增多，水解的中間產(chǎn)物也增多，因此使TiO2薄膜的沉積速率增加；但是當水解的中間產(chǎn)物非常多時，它們之間會產(chǎn)生縮聚反應(溶膠–凝膠方法就是利用這一原理)從而抑制了TiO2薄膜的沉積，因此，，當水蒸氣含量增加到50 mg/L以上時，氣相反應物中的水解產(chǎn)物可能開始發(fā)生縮聚反應，使TiO2薄膜的沉積速率降低。另外，由于發(fā)生水解反應的TTIP增多，也相應的降低了進行熱解反應的TTIP濃度，進而影響沉積速率。

圖1 TiO2薄膜沉積速率與水蒸氣濃度關系 Fig.1 Relationship between TiO2 film deposition rate and

water concentration

Temperature of the substrate glass is 300 ℃.

2.2 氧氣對TiO2薄膜沉積速率的影響

一般認為，鈦酸異丙酯分解沉積形成TiO2薄膜的化學反應為： Ti(O–C3H7)4→TiO2+2H2O+4C3H6 (5)

由式(5)可知，鈦酸異丙酯的氧和鈦的化學計量比足以保證TiO2薄膜的生成，不需要額外的氧，但式(5)

的反應速率太慢，無法滿足沉積速率要求高的場合。

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