常壓等離子體無機(jī)膜的氣相沉積及特性研究.pdf

1、自從利用常壓介質(zhì)阻擋放電成功合成臭氧以來，此種放電形式在工業(yè)運(yùn)用方面已經(jīng)有很多年的歷史，其它方面的運(yùn)用主要包括治污、材料表面改性與處理、紫外燈光源等。 近年來，常壓介質(zhì)阻擋放電等離子在氣相沉積薄膜的運(yùn)用方面逐漸興起，是繼真空等離子體氣相沉積薄膜之后很引人關(guān)注的一種制備薄膜的方法，由于不受任何真空條件的限制，能耗小，在工業(yè)應(yīng)用上有著廣泛的前景。 本文闡述通過常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體化學(xué)氣相沉積方法，利用四氯化鈦?zhàn)鳛殁佋矗c

2、氬氣、氧氣體混合，在不同的反應(yīng)條件下進(jìn)行氣相沉積反應(yīng)，制備無機(jī)TiO2納米薄膜。 在研究初期，自行設(shè)計(jì)并搭建小型靜態(tài)常壓介質(zhì)阻擋放電納米顆粒膜沉積裝置，在此基礎(chǔ)上，又設(shè)計(jì)研制連續(xù)式納米顆粒膜沉積裝置，作為對(duì)將來建立紡織品表面改性工業(yè)化生產(chǎn)線的初步嘗試。 本論文的工作，主要以小型靜態(tài)沉積裝置作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。首先，對(duì)常壓介質(zhì)阻擋放電過程進(jìn)行了研究。測(cè)定并分析了其放電參量，具體包括放電頻率、電壓、電流以及放電功率，研究了介質(zhì)阻擋

3、放電發(fā)射光譜與放電參量的關(guān)系，并對(duì)電子溫度加以測(cè)量計(jì)算，便于從機(jī)理上控制放電條件，控制薄膜的沉積過程。在給定的實(shí)驗(yàn)條件下，放電形貌均勻，電流—電壓波形曲線顯示了絲狀放電的特征，但未能實(shí)現(xiàn)大氣壓輝光放電。等離子體發(fā)射光譜表明放電等離子體中包含Ti2+、O、Cl-，這證明單體與載氣在放電過程中被裂解，得到了合成二氧化鈦薄膜所需的活性物種。放電功率升高后，發(fā)射光譜圖中的元素對(duì)應(yīng)的峰強(qiáng)值增加，這說明在介質(zhì)阻擋放電等離子體中，隨著功率的增加，放電

4、細(xì)絲密度增加，電子密度與離子密度在逐漸增加。通過借助對(duì)氬氣等離子體的近似計(jì)算，得到了常壓介質(zhì)阻擋放電中的電子溫度約為0．67eV。另外，熱電偶測(cè)量還發(fā)現(xiàn)，隨著放電功率上升，反應(yīng)區(qū)域的溫度也上升，約在25℃至85℃范圍內(nèi)變化。 其次，我們考察了放電功率、沉積時(shí)間、載氣流量配比、襯底偏壓、后處理溫度等因素對(duì)常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體化學(xué)氣相沉積無機(jī)薄膜的沉積速率、表面形貌、化學(xué)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、光吸收特性的影響。利用自動(dòng)橢圓偏振

5、測(cè)量?jī)x測(cè)定薄膜的厚度，采取掃描電鏡（SEM）與原子力顯微鏡（AFM）觀察薄膜表面形貌，通過熱臺(tái)偏光顯微鏡（PMWHS）與X射線衍射（XRD）來觀察、表征薄膜的結(jié)晶度，利用X射線能譜（EDS）檢測(cè)薄膜化學(xué)組成以及傅立葉變換紅外光譜（FTIR）表征薄膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，最后還利用紫外可見分光光度計(jì)分析了薄膜的光吸收特性。 以上的分析結(jié)果表明：常壓等離子體化學(xué)氣相沉積得到的薄膜是一種由眾多小顆粒（其中有納米尺度的顆粒）堆積而成的結(jié)構(gòu)，并且在

6、薄膜生長(zhǎng)過程中一部分的顆粒被包埋在其中，薄膜顆粒分布較均勻。薄膜的沉積速率隨著放電功率的增加而增加，而在放電功率保持不變時(shí)，單體氣流量越大，薄膜的沉積速率越大。放電功率的上升使得薄膜上的顆粒變得密集，類似團(tuán)簇沉積，顆粒形狀由原先的球形轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則形狀。在對(duì)襯底施加偏壓后，改變了薄膜顆粒的生長(zhǎng)方式，類似密堆積式生長(zhǎng)，而且偏壓值升高后，顆粒之間緊密堆積的現(xiàn)象愈加明顯。 XRD測(cè)試結(jié)果表明，薄膜存在位于2θ=25．3°的衍射峰，這是

7、晶體TiO2銳鈦礦結(jié)構(gòu)（101）面的衍射峰，說明常壓等離子體化學(xué)氣相沉積TiCl4可以獲得銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2，采用Bragg—Scherrer公式計(jì)算得到平均晶粒大小約80nm，而在后處理溫度500℃時(shí)，結(jié)晶峰變得更尖銳且強(qiáng)度提高，薄膜結(jié)晶度得到很大的提高。EDS檢測(cè)薄膜成分主要含Ti、O、Cl元素，紅外光譜表明膜中存在的化學(xué)鍵主要含有Ti—O、C=O，紫外-可見光吸收特性曲線表明：在大放電功率條件下，薄膜表現(xiàn)出對(duì)紫外線的較強(qiáng)吸收性質(zhì)。