基于纳米TiO2薄膜的结构及紫外可见光谱研究

摘 要：本文简要阐述了TiO2纳米薄膜的制作过程。实验以钛酸丁酯、盐酸以及去离子水为原料，应用了溶胶-凝胶法与旋转涂膜工艺。通过实验对TiO2纳米薄膜紫外线光谱进行分析，并探讨了影响二氧化钛薄膜紫外线光谱与禁带宽度的各类因素。

关键词：二氧化钛薄膜;紫外线光谱;溶胶--凝胶法

0 引言

纳米二氧化钛自身具备特殊的物理化学性质，能够作为光物理材料与催化剂，应用于环境污染治理中，对于清洁材料的研发以及环境监测方面具有一定研究潜力。因此，有必要对纳米TiO2薄膜的结构及其紫外可见光谱进行实验研究，令二氧化钛更加广泛的应用于环境环保材料的制备中。

1 纳米TiO2薄膜结构研究分析

1.1 纳米TiO2薄膜的制备

溶胶--凝胶法是当前用于制备二氧化钛的常用方法，实验性质为湿式化学法，主要用于制备陶瓷、玻璃的等非有机材料。纳米二氧化钛薄膜的制备主要分为三个阶段，分别为制备凝胶溶液、喷涂基底以及干燥基底。实验采用钛酸丁酯、无水乙醇以及去离子水，制备溶胶过程需取10mL去离子水加入1mL盐酸，形成溶液A。令取量杯加入3mL鈦酸丁酯与8mL无水乙醇形混合溶液B，随后将B溶液匀速滴定至A溶液中，获得溶胶。在制备凝胶时需要应用旋转涂膜法，在匀胶机上固定玻璃基片，匀速旋转25秒后可得到二氧化钛凝胶。制备过程中还需对玻片基底进行干燥，可以将凝胶置于电热恒温干燥箱内干燥15min，再将其置于高温炉中退火，最终得到二氧化钛薄膜。近年来，人们不断在传统的工艺中改革创新，研发了破胶、回流以及重新分散等先进技艺，进而获得了无异味的光催化凝胶。

1.2 对纳米TiO2薄膜的测试分析

将经过10次甩膜的二氧化钛薄膜与配比相同的溶胶进行热处理，利用X衍射线对所得薄膜与粉体科学分析，可以得到相应的衍射图谱，观察衍射图谱可以找到锐钛矿的特征衍射峰，并在对应处可以观测到金红石的衍射峰。通过对测试结果分析可知二氧化钛粉末为锐钛矿相，是一金红石相与锐钛矿相的混合结构。但是二氧化钛衍射图呈现出的衍射信号较为微弱，只能观测到某一时期的最强衍射高峰，由此可以推测，纳米薄膜中的二氧化钛含量较少，在相同实验条件之下，粉末的晶化程度高于薄膜。在测试薄膜的透视率时可以应用日立-3010-紫外-可见分光光度计，来观测紫外透射光谱。在进行测试时，利用未覆膜的玻璃基片作为透射率基准，将其与覆膜玻璃基对比可以反映二氧化钛薄膜的透射率。

2 纳米TiO2薄膜的紫外可见光谱分析

2.1 TiO2薄膜的厚度分析

二氧化钛笔墨厚度采用三维表面轮廓仪进行测定，射线衍射仪可以分析晶体薄膜的结构，经过扫描电镜可观测二氧化钛的表面形态。通过观察透射光谱可以得出不同波段内的透射率，影响此阶段透射率的原因为二氧化钛带间性跃迁吸收。透射率受二氧化钛膜厚度的影响，通过分析可得薄膜的厚度与紫外光谱透射率具有密切联系。当薄膜厚度变小时，紫外透射率将下降并向边缘段波方向移动，边缘波长的“蓝移”与薄膜厚度之间不存在特定关系，但是与二氧化钛晶粒大小有一定关联。薄膜晶粒变小时将会产生量子尺寸效应，二氧化钛的禁带宽度将增大，其纳米膜厚度可以也能够紫外线光谱实现分析估算。当纳米模体较厚时，在紫外透射光谱中将会产生干涉条纹，膜的厚度可以应用干涉条纹的特点实现估算。除了此种方法，还可以利用光谱吸收规律计算不同膜的厚度。计算中需要应用入射光强度、透射光强度、膜自身的吸收强度、膜吸收系数以及膜的厚度。膜的厚度可以由吸光强度与某一时段的波长吸收系数来计算。

2.2 TiO2薄膜的半导体禁带宽度

在二氧化钛的半导体结构中，主要存在两种类型的光激电子跃迁，分别为直接跃迁与间接跃迁，两种类型电子跃迁可以通过计算二氧化钛的相对能级图显现出来，不同位置处导带可以进行低能级或高能级的跃迁。直接跃迁与间接跃迁的近代宽度可以通过紫外线光谱数据来计算，通过对实验分析结果可得，膜的禁带宽度不受溶胶陈化时间的影响。当热处理的温度较低时，二氧化钛膜的间接跃迁禁宽带较小，热处理会对膜的间接跃迁产生影响，但是对直接跃迁不产生影响。厚膜直接跃迁的禁带宽和间接跃迁禁带宽都小于薄膜，说明膜厚度对膜的禁带宽有影响，且膜越厚，其禁带宽红移就越多[1]。对于较厚的膜中，粒子表面间的相互作用比较强，这种作用促使二氧化钛八面体发生畸变，导致厚膜的禁带宽小于薄膜的禁带宽。

3 结论

近年来，纳米TiO2薄膜的应用与研发受到了广泛关注，并且经过不断的深入研究，二氧化钛薄膜的应用正在逐渐走入人们的生活。纳米TiO2的制备方法并不唯一，并且其紫外可见光谱研究也成为了研究热点。由于可见，未来人们将愈发重视二氧化钛的应用，提升我国科研技术水平。

参考文献：

[1]陈霞，周炳卿，松林，李力猛，郝丽媛，韩兵.纳米TiO2薄膜的结构及紫外可见光谱研究[J].信息记录材料，2009， 10（01）：26-30.