[發明專利]表面電荷轉移摻雜調控Ti?O薄膜表面能級能態的方法

有效

• 申請號: 201510030104.1
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104562002B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 萬國江;賴欣;李蘋;郝國明;黃楠
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C14/35;C23C22/02
• 代理公司: 成都博通專利事務所51208
• 代理人: 陳樹明

技術領域

本發明屬于半導體薄膜表面物理化學改性的技術領域，特別涉及一種表面電荷轉移摻雜調控Ti-O薄膜表面能級能態的方法。

背景技術

Ti-O薄膜作為一種重要的寬禁帶半導體材料，有著獨特的電化學性能、光電性能以及良好的生物相容性。因此，將Ti-O薄膜沉積在硅片和金屬材料表面，對其進行表面改性，能夠獲得良好性能的電化學材料、光電材料及生物醫學材料。

但通過薄膜沉積方法如非平衡磁控濺射法等沉積Ti-O薄膜，Ti-O薄膜內部有序晶格在其表面的突然中斷而存在懸掛鍵，使Ti-O薄膜不可避免地出現了表面態、局域態和雜質能級，對薄膜的電化學性能、光電性能和生物相容性有一定影響：在光電催化方面，由于雜質能級的存在，它不能有效地提高光電轉換效率；在電化學與生物相容性方面，由于缺陷態在材料表面的分布，導致其載流子濃度低，電化學性能差，材料應用于人體時會引發凝血等一些不良反應，導致其生物相容性有待提高。

發明內容

本發明的目的是提供一種表面電荷轉移摻雜調控Ti-O薄膜表面能級能態的方法。該方法得到的Ti-O薄膜具有優良的光電特性和生物相容性。且其制備過程簡單，條件溫和，適合于大規模生產。

本發明實現其發明目的所采用的技術方案是：一種表面電荷轉移摻雜調控Ti-O薄膜表面能級能態的方法，其步驟是：

A、利用非平衡磁控濺射系統在拋光的純鈦表面沉積Ti-O薄膜，得到純鈦表面上沉積有Ti-O薄膜的材料；

B、將A步的材料放入濃度為0.04～0.06mol/L的Na₂CO₃溶液中浸泡30～60min，取出，70～110℃真空干燥；

C、將100份質量的多巴胺與1份質量的聚合引發劑在無氧環境下溶解于pH＝8.0～9.0的三羥甲基氨基甲烷緩沖溶液中，使多巴胺的濃度為0.20～0.26mol/L；

D、將B步得到的材料放入C步的溶液中6～12h，并同時緩慢通入氧氣，多巴胺聚合成聚多巴胺并沉積在Ti-O薄膜的表面，取出、晾干，紫外光照30～60min；

E、將D步得到的材料，置于pH＝9～12的堿性溶液中24～48h，超聲清洗3～4次，即得。

本發明的機理是：

B步通過將表面沉積有Ti-O薄膜的純鈦放入Na₂CO₃溶液中浸泡，一方面可以延長電子的壽命；另一方面可以有效地抑制電子-空穴對復合，使Ti-O薄膜的光電性能和生物相容性提高。

C步在無氧環境下，將多巴胺和聚合引發劑溶解于三羥甲基氨基甲烷緩沖溶液中，使多巴胺和聚合引發劑分散均勻；

D步將沉積有Ti-O薄膜的純鈦放入溶解有多巴胺和聚合引發劑的三羥甲基氨基甲烷緩沖溶液中。由于多巴胺為左旋多巴和胺基基團構成的具有優良粘附性能的仿生小分子，能夠較好地粘附于Ti-O薄膜上；同時通入氧氣，多巴胺表面的鄰苯二酚基團和亞胺基團在聚合引發劑的促進下會發生脫水縮合、分子環化和分子間，使多巴胺交聯而形成聚多巴胺。從而使得聚多巴胺穩定、均勻地接枝在Ti-O薄膜表面。同時由于聚多巴胺具有良好的光生電荷性能，具有很強的紫外吸收能力和抗氧化性能，在紫外光照下它能夠作為電子供體向磁控濺射得到的Ti-O薄膜注入電子，淬滅Ti-O薄膜表面的表面態、局域態和雜質能級，使其表面能級能態得到調控，光電性能得到提高，親水性等生物相容性能得到改善。

E步又將接枝有聚多巴胺的Ti-O薄膜置于堿性溶液中。聚多巴胺為兩性電解質聚合物。在堿性環境下，它的亞胺基團和和鄰苯二酚基團會同時帶上負電荷，產生較強的靜電排斥，使聚多巴胺從Ti-O薄膜表面分離。從而實現了在不改變Ti-O薄膜表面的成分和結構的前提下，調控其表面的能級能態。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

一、本發明的電子供體(聚多巴胺)在提供電子對Ti-O薄膜進行能級能態調控后，電子供體又在堿性環境下被去除，從而在不改變薄膜表面的成分和結構的前提下，有效地改善了Ti-O薄膜光電性能、電化學性能和親水性等生物相容性。

二、本發明的能級能態調控操作均是在常溫液態下進行，其調控條件溫和、操作方便、制備成本低、適用于大規模工業化生產。

進一步，本發明中所述A步中非平衡磁控濺射系統在拋光的純鈦表面沉積Ti-O薄膜的沉積參數為：直流電流2.5～3.0A、沉積時間8～10min、基體偏壓-140～-160V、靶基距75～80mm、Ar/O比為60/13～60/15。