[發(fā)明專利]一種增強(qiáng)可見光光電響應(yīng)的錳摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310163375.5
• 申請日: 2013-05-07
• 公開（公告）號: CN103280488A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏曉紅;高云;郭美瀾;王卓;邵國勝
• 申請（專利權(quán)）人: 湖北大學(xué)
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 武漢金堂專利事務(wù)所 42212
• 代理人: 丁齊旭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氧化鈦薄膜制備領(lǐng)域，具體涉及一種增強(qiáng)可見光光電響應(yīng)的錳摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

自1972年發(fā)現(xiàn)氧化鈦在紫外光照射下產(chǎn)生氧氣和氫氣以來，氧化鈦?zhàn)鳛橐环N新興的功能材料，引起了人們的廣泛關(guān)注，被應(yīng)用于光催化，染料敏化太陽能電池，光伏發(fā)電，傳感器等領(lǐng)域。氧化鈦是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其光學(xué)帶隙為3.0-3.2eV，對應(yīng)太陽光譜中的紫外區(qū)（僅占太陽光譜的4%），無法利用可見光及近紅外光區(qū)（占太陽輻射總能量的50%），同時，純二氧化鈦的電導(dǎo)率和遷移率都很低，不利于光生載流子的傳輸，大大限制了氧化鈦器件的發(fā)展，不利于進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。為此，人們采取了諸如表面修飾、氫化、摻雜等方法來提高氧化鈦對可見光的利用率，而摻雜是較為有效的方法。研究表明，過渡金屬摻雜能有效的提高二氧化鈦的可見光響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高的光吸收系數(shù)，擴(kuò)展氧化鈦的光吸收范圍，改善氧化鈦的電學(xué)性能。在眾多3d過渡金屬中，Mn是最有潛力的摻雜劑，當(dāng)Mn以替位形式進(jìn)入氧化鈦的晶格，除了能有效降低氧化鈦的禁帶寬度外，還能在帶隙中引入中間能級，成為電子從價帶躍遷到倒帶的跳板，將氧化鈦的光學(xué)吸收邊移動到可見光范圍內(nèi)，成為頗具潛力的太陽能電池吸收材料以及光電二極管或激光二極管的活性材料。此外，Mn摻雜還可以大大改善氧化鈦的電學(xué)性能。

在實(shí)際應(yīng)用中，氧化鈦的制備和摻雜方法很多，其中磁控濺射法進(jìn)行摻雜是常用的方法，與其他方法相比，磁控濺射具有成膜面積大，薄膜與基材的結(jié)合力高，成膜致密均勻，制備薄膜易于控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于氧化鈦薄膜的研究與生產(chǎn)。通過對現(xiàn)有專利的檢索發(fā)現(xiàn)，目前除了有溶膠凝膠法制備Mn摻雜的氧化鈦粉體（納米級錳離子摻雜二氧化鈦催化劑及其制備方法，專利號CN101579626）的報道外，還沒有制備Mn摻雜氧化鈦薄膜的相關(guān)報道，用磁控濺射制備摻雜氧化鈦薄膜的報道更是少之又少。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的制備摻雜氧化鈦薄膜的不足，提供一種新型的制備錳摻雜薄膜的方法，有效的提高二氧化鈦的光電性能，擴(kuò)展氧化鈦應(yīng)用的范圍。該方法制備的氧化鈦薄膜結(jié)構(gòu)致密，取向性好，無需二次處理，其光響應(yīng)可紅移到可見光區(qū)，電導(dǎo)率大大提高，最高可提高2個數(shù)量級。

本發(fā)明提供的制備錳摻雜氧化鈦薄膜的方法，采用反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)，對納米氧化鈦進(jìn)行Mn離子的摻雜改性，將光響應(yīng)擴(kuò)展到可見光區(qū)，并改善其電學(xué)性能，使之能更好的應(yīng)用于光催化降解污染物，光伏電池等領(lǐng)域。

錳摻雜氧化鈦薄膜材料中Mn/(Ti+Mn)的原子濃度范圍為：0%-42.2%。

本發(fā)明采用直流、射頻反應(yīng)共濺射的方法，以高純（99.999%）Ti靶作為磁控直流濺射的陰極，以Mn金屬靶為反應(yīng)磁控濺射射頻端陰極，襯底作為陽極，O₂為反應(yīng)氣體，Ar為濺射氣體，通過調(diào)節(jié)制備溫度、直流和射頻端功率、氧氣流量和反應(yīng)時間等參數(shù)，來控制Ti和Mn的相對含量和薄膜的厚度。

本發(fā)明的具體制備步驟如下：?

1、清洗襯底。將襯底放在丙酮、無水乙醇、去離子水中依次超聲15min，并烘干，沉積薄膜前，對襯底進(jìn)行反濺清洗15min。

2、安裝靶材。將純度為99.999%的Ti靶安裝于磁控濺射系統(tǒng)的直流靶位，?純度為99.999%的Mn靶安裝于磁控濺射系統(tǒng)的射頻靶位，調(diào)節(jié)靶與襯底的距離為10～65mm。

3、打開泵抽系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)真空抽至1×10^-5Pa后，將襯底加熱至溫度200～550℃，向腔室通入20sccm高純（99.9999%）氬氣和8～15sccm高純（99.9999%）氧氣，控制腔室壓強(qiáng)為5～10mtorr，對靶材進(jìn)行輝光清洗。

4、清洗完成后，調(diào)節(jié)直流Ti靶的功率為300～380W，射頻Mn靶的功率為0～105W，持續(xù)濺射3～10小時。

5、沉積完成后，待溫度自然冷卻到室溫后，從真空室將樣品取出。

在上述制備過程中，通過調(diào)節(jié)射頻功率（Mn靶）和氧氣流量，Mn的摻雜濃度從0到42.2at%可調(diào)。

其中磁控濺射最佳參數(shù)為：腔室氣壓調(diào)節(jié)至5mtorr，調(diào)節(jié)直流Ti靶的功率為378W，射頻Mn靶的功率為105W，持續(xù)濺射3小時。