玻璃基底上TiO_,2_纳米管电极的制备、表征及性能研究.pdf

南京航空航天大学
硕士学位论文
玻璃基底上TiO<,2>纳米管电极的制备、表征及性能研究
姓名:汤育欣
申请学位级别:硕士
专业:材料学
指导教师:陶杰
20081201
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
为了在玻璃基底上制备TiO2纳米管阵列,更好地应用于气体传感器、染料敏化太阳能电池
和其他的光学器件,本文首先采用射频磁控溅射方法在玻璃基底上沉积纯钛薄膜,然后通过恒
压阳极氧化将钛膜转化成高度有序的TiO2纳米管阵列。研究了不同的溅射参数对钛膜结构以及
阳极氧化参数对TiO2纳米管结构的影响,并通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍
射(XRD)、紫外可见光谱(UV-Vis)以及光电化学的方法对TiO2纳米管阵列进行了表征。
射频磁控溅射参数对钛膜微结构的影响研究表明:溅射压强升高,钛膜沉积速率增加但致
密度显著下降,,且薄膜厚度随溅射时间延长线性增加;适当提高衬底温
度和溅射功率均有利于提高膜的致密度和结晶性能;在低温沉积、溅射功率为150W时,薄膜具
有较高密度,且钛膜与基底的结合力较好。其次,研究了室温条件下不同的电解液体系(HF/H2O、
H3PO4/HF、NH4F/甘油)对TiO2纳米管阵列形貌的影响,结果表明:TiO2纳米管阵列结构的形
成需要在特定的氧化条件下,其形貌受阳极氧化参数(电解液、电压、时间等)的影响,且钛
膜的初始结构会影响TiO2纳米管阵列的生长进程以及纳米管结构的有序度和平整度;钛膜的致
密度、均匀度以及对阳极氧化参数的控制是成功制备TiO2纳米管阵列结构的关键因素;而在
H2SO4/H2O溶液中,通过直接加压法在氧化电压超过90V条件下在导电玻璃上可直接获得锐钛型
的TiO2多孔膜。
此外,对结晶前后的TiO2纳米管复合电极分别在暗态和紫外光下进行光电化学测试,结果
表明:经过450℃晶化处理的电极表现出更好的光电化学性能;施加阳极电压和紫外光照射都能
够促进TiO2光生载流子有效分离,使电子迅速传至导电玻璃表面通过外电路形成光电流,因此,
这种结晶的复合电极适用于一些特殊的功能器件,如气体传感器、染料敏化太阳能电池和光致
变色器件等。
关键词:射频磁控溅射,钛薄膜,玻璃基底,阳极氧化,TiO2纳米管阵列






I
玻璃基底上 TiO2 纳米管电极的制备、表征及性能研究

Abstract
In order to explore the application of TiO2 nanotubes in gas sensing, dye-sensitized solar cell and
other optical devices, highly ordered TiO2 nanotube layers were prepared on glass substrate by
potentiostatic anodization of pure titanium film deposited by radio frequency (RF) ron
sputtering. The samples were characterized respectively by field emission scanning electron
microscopy (FESEM), X-ray diffraction (XRD), UV-Vis transmission spectra, and
photoelectrochemistry methods.
The effects of deposition parameters on structures of sputtered Ti films were studied. It was
found that the deposition rate of Ti films increased and the denseness decreased obviously with the
increasing of sputting pressure, in which was more suitable, while the thickness of the films
increased linearly with the sputting time. Additionally, increasing the substrate temperature or
sputtering power could improve the densene