專利名稱：硅量子點摻雜納米二氧化鈦薄膜復合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅量子點摻雜納米二氧化鈦薄膜復合材料的制備方法，特別涉及一種通過離子注入及離子束濺射輔助在二氧化鈦薄膜中制備硅量子點的方法，屬于光電和光催化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二氧化鈦(TiO2)具有光穩(wěn)定性好、氧化能力強、無公害以及廉價等優(yōu)點，且在光電及催化方面具有一些特殊性能。但是它的禁帶寬度為3. 0-3. &V，只能吸收波長小于400nm 的紫外光，且光生載流子利用效率較低，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，從而限制了其在光電轉(zhuǎn)換方面的應用。目前提高TiO2光電轉(zhuǎn)換效率的有效方法是對其進行量子點摻雜或敏化。因為半導體量子點具有的量子限制效應可以改變材料光學性質(zhì)和電學性質(zhì)，因而得到很多科學家的關(guān)注。硅是一種良好的半導體材料，是地球上儲存量第二大的元素，而且性能穩(wěn)定、無毒，具有高的空穴遷移率和電子遷移率，同時禁帶寬度小，是理想的摻雜材料。然而，至今很多人在二氧化鈦納米薄膜中摻雜硅由于沒找到合適的工藝并沒有形成硅量子點。目前，制備量子點摻雜納米薄膜的方法有很多，包括溶膠-凝膠法、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、射頻磁控濺射法等。與這些方法相比，離子注入方法能夠根據(jù)薄膜厚度控制注入的深度、注入的離子數(shù)目，并且注入的離子純度高。通過調(diào)控離子注入條件和后處理工藝，可自由調(diào)節(jié)量子點的含量、尺度、形態(tài)及分布，因此是制備硅量子點摻雜二氧化鈦薄膜的理想方法。該方法在光電轉(zhuǎn)換材料制備方面具有重要的實際應用價值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種硅量子點摻雜納米二氧化鈦薄膜復合材料的制備方法。該方法過程簡單，所制得的硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜復合材料具有很強的光吸收性能和廣闊的應用前景。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)的，一種硅量子點摻雜納米二氧化鈦薄膜復合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)基片、靶材的清洗首先用丙酮對石英的或硅的基片清洗10 15min，再用無水乙醇進行超聲清洗10 15min，最后用去離子水反復清洗，晾干備用；用無水乙醇對質(zhì)量純度為99. 99%以上的二氧化鈦靶材表面擦拭干凈，備用；2)將經(jīng)步驟1)清洗干凈的基片和靶材分別置入離子束濺射室內(nèi)的基盤和靶位上，抽真空使其本底真空度達到2. OX 10_4 9. OX 10_4Pa，接著向濺射室內(nèi)通入質(zhì)量純度為 99. 99%以上的氬氣工作氣體，使濺射室內(nèi)壓強為2. OX 10_2 2. 5 X 10 ,調(diào)整濺射室溫度為20 200°C ；3)采用引出電流為50mA，引出電壓為2. OkV的氬離子束分別對靶材和基片各進行 5-10min的預濺射清洗；4)薄膜制備首先以引出電流為10 40mA，引出電壓為0.5kV 3kV的氬離子束對二氧化鈦靶材進行連續(xù)轟擊200 320min，在基片上得到厚度為65-llOnm的二氧化鈦薄膜；5)將經(jīng)步驟4)制的納米二氧化鈦薄膜，以升溫速率為2V /min升溫至400_600°C 進行退火，保溫1-3小時，然后隨爐溫冷卻至室溫；6)采用離子注入設備，抽真空使本底真空度達到5.0_9.0X10_4Pa，在質(zhì)量純度為99.99 %以上的氬氣保護下、工作真空度為2. 0-2.5X10_2!^及襯底溫度為25-200 °C條件下對步驟幻制備的二氧化鈦薄膜，首先以注入能量為60-80keV，注入劑量為IX 1016-3X IO17CnT2進行第一次硅離子注入；然后以注入能量為40-60keV， 注入劑量為1 X 1016-3 X IO17Cm-2進行第二次離子注入；最后以30_40keV，注入劑量為 1 X 1016-3 X IO17CnT2進行第三次硅離子注入；7)將步驟6)制備的硅摻雜的納米二氧化鈦薄膜，在空氣中或氮氣中，以升溫速率 2-10°C /min升至溫度為500-1000°C退火0. 5_2h，然后隨爐溫冷卻至室溫得到硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜復合材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用較為簡單和溫和的方法制備了硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜復合材料。該方法可以通過調(diào)節(jié)離子注入工藝調(diào)節(jié)硅的量子點的大小，使其小于硅量子波爾半徑，并且克服了溶液法制備量子點時易團聚的缺點，因此有望在光電轉(zhuǎn)換材料領(lǐng)域得到廣泛的應用。
圖1為實例1制備的硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜復合材料透射形貌照片。
具體實施例方式實例1本發(fā)明薄膜制備過程所采用的設備為IBAD-600多功能離子注入與離子束濺射系統(tǒng)；離子注入制備過程所采用的設備為FM2000納米多層膜復合機。制備硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜復合材料過程如下將2cmX2cm方形石英基片浸泡在丙酮溶液中清洗15min，再用無水乙醇超聲清洗lOmin，最后用大量的去離子水清洗；用無水乙醇對質(zhì)量純度為99. 99%的二氧化鈦靶材(IOcmXlOcm)表面擦拭干凈。 然后將清洗干凈的石英基片以及二氧化鈦分別固定于濺射真空室內(nèi)的基盤和靶位上，抽真空使本底真空度達到8 X IO-4Pa,接著向濺射室內(nèi)通入純度為99. 99 %的氬氣，使濺射室內(nèi)壓強為2.0X10_2Pa，調(diào)整濺射室內(nèi)溫度為25°C。在濺射薄膜之前，采用引出電流為50mA， 引出電壓為2. OkV的氬離子束分別對靶材和基片各進行5-lOmin的預濺射清洗。首先以引出電流為20mA，引出電壓為0. 7kV的氬離子束對二氧化鈦靶材轟擊320min使其在基片上濺射沉積一層TW2薄膜，薄膜厚度大約為llOnm，隨后對薄膜進行熱處理，以升溫速率為 2°C /min升溫至500°C進行退火，保溫1小時，然后隨爐溫冷卻至室溫。運用離子注入設備， 抽真空使本底真空度達到6. OX 10_4Pa，注入時環(huán)境保護氣體為高純的氬氣，工作真空度為 1.0X10_3Pa，襯底溫度為25°C ；接著，對所制備的二氧化鈦薄膜首先以注入能量為70keV， 注入劑量為1 X IO17Cm-2進行第一次硅離子注入，使得所注入的硅離子集中在所述二氧化鈦薄膜的底部；然后以注入能量為45keV，注入劑量為IX IO17CnT2進行第二次離子注入，使得所注入的硅離子集中在中部；最后再以30keV，注入劑量為IX IO17CnT2進行第三次硅離子注入，使得所注入的硅離子集中在頂部。然后將所得到的硅摻雜的納米二氧化鈦薄膜在950°C 的氬氣保護退火爐中退火lh，升溫速率為10°C /min，然后隨爐溫冷卻至室溫，即得到硅量子點摻雜的二氧化鈦薄膜。其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。實例2制備硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜復合材料所需二氧化鈦薄膜的制備過程同實例1。運用離子注入設備，抽真空使本底真空度達到8. 0X10_4Pa，注入時環(huán)境保護氣體為高純的氬氣，工作真空度為2.0\10_牛^襯底溫度為251；接著，將所制備的二氧化鈦薄膜首先以注入能量為70keV，注入劑量為1 X IO16CnT2進行第一次硅離子注入，使得所注入的硅離子集中在所述二氧化鈦薄膜的底部；然后以注入能量為50keV，注入劑量為IXlO16cnT2 進行第二次離子注入，使得所注入的硅離子集中在中部；最后再以30keV，注入劑量為 1 X IO16CnT2進行第三次硅離子注入，使得所注入的硅離子集中在頂部。然后將所得到的硅摻雜的納米二氧化鈦薄膜在950°C的氬氣保護退火爐中退火lh，升溫速率為10°C /min，然后隨爐溫冷卻至室溫，即得到硅量子點摻雜的二氧化鈦薄膜。實例3制備硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜復合材料所需二氧化鈦薄膜的制備過程同實例1。運用離子注入設備，抽真空使本底真空度達到9. OX 10_4Pa，注入時環(huán)境保護氣體為高純的氬氣，工作真空度為1. 0X10_2Pa，襯底溫度為200°C ；接著，將所制備的二氧化鈦薄膜首先以注入能量為60keV，注入劑量為3 X IO17CnT2進行第一次硅離子注入，使得所注入的硅離子集中在所述二氧化鈦薄膜的底部；然后以注入能量為40keV，注入劑量為 3X IO17Cm-2進行第二次離子注入，使得所注入的硅離子集中在中部；最后再以30keV，注入劑量為3X IO17CnT2進行第三次硅離子注入，使得所注入的硅離子集中在頂部。然后將所得到的硅摻雜的納米二氧化鈦薄膜在750°C的氬氣保護退火爐中退火lh，升溫速率為10°C / min，然后隨爐溫冷卻至室溫，即得到硅量子點摻雜的二氧化鈦薄膜。
權(quán)利要求
1. 1)基片、靶材的清洗首先用丙酮對石英的或硅的基片清洗10 15min，再用無水乙醇進行超聲清洗10 15min，最后用去離子水反復清洗，晾干備用；用無水乙醇對質(zhì)量純度為99. 99%以上的二氧化鈦靶材表面擦拭干凈，備用；2)將經(jīng)步驟1)清洗干凈的基片和靶材分別置入離子束濺射室內(nèi)的基盤和靶位上， 抽真空使其本底真空度達到2. OX 10_4 9. OX 10_4Pa，接著向濺射室內(nèi)通入質(zhì)量純度為 99. 99%以上的氬氣工作氣體，使濺射室內(nèi)壓強為2. OX 10_2 2. 5 X 10 ,調(diào)整濺射室溫度為20 200°C ；3)采用引出電流為50mA，引出電壓為2.OkV的氬離子束分別對靶材和基片各進行 5-10min的預濺射清洗；4)薄膜制備首先以引出電流為10 40mA，引出電壓為0.5kV 3kV的氬離子束對二氧化鈦靶材進行連續(xù)轟擊200 320min，在基片上得到厚度為65-llOnm的二氧化鈦薄膜；5)將經(jīng)步驟4)制的納米二氧化鈦薄膜，以升溫速率為2V/min升溫至400-600°C進行退火，保溫1-3小時，然后隨爐溫冷卻至室溫；6)采用離子注入設備，抽真空使本底真空度達到5.0-9. 0X10_4Pa，在質(zhì)量純度為99. 99 %以上的氬氣保護下、工作真空度為2. 0-2. 5X KT2Pa及襯底溫度為 25-200°C條件下對步驟幻制備的二氧化鈦薄膜，首先以注入能量為60-80keV，注入劑量為1 X 1016-3X IO17CnT2進行第一次硅離子注入；然后以注入能量為40-60keV，注入劑量為IX 1016-3X IO17CnT2進行第二次離子注入；最后以30-40keV，注入劑量為 1 X 1016-3 X IO17CnT2進行第三次硅離子注入；7)將步驟6)制備的硅摻雜的納米二氧化鈦薄膜，在空氣中或氮氣中，以升溫速率 2-100C /min升至溫度為500-1000°C退火0. 5_2h，然后隨爐溫冷卻至室溫得到硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜復合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種離子注入及離子束濺射輔助在納米二氧化鈦中制備硅量子點的制備方法。該方法過程包括將基片和靶材清洗，置入濺射室內(nèi)，在真空和氬氣的保護條件下，預濺射清洗；以一定的引出電流、電壓的氬離子束對二氧化鈦進行濺射，在基片上沉積二氧化鈦薄膜，經(jīng)退火后，得到納米二氧化鈦薄膜；再以一定的能量、注入劑量進行三次硅離子的注入，得到硅摻雜的二氧化鈦薄膜，經(jīng)退火后，得到硅量子點摻雜的納米二氧化鈦薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點在于，方法簡單條件溫和，過程中能通過調(diào)節(jié)離子注入工藝來自由調(diào)節(jié)硅量子點的含量、尺寸、形態(tài)及分布，并且克服了量子點時易團聚的缺點，從而調(diào)節(jié)了摻雜的二氧化鈦薄膜的光吸收特性。
文檔編號C23C14/08GK102352487SQ20111028919
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者何芳, 劉貴高, 李小青, 王玉林, 黃遠 申請人:天津大學