Tio2薄膜的制备讲解
新能源综合报告
实验题目：Tio2薄膜的制备和微细加工
学院：物理与能源学院
专业：新能源科学与工程
学号：1350320
汇报人：
指导老师：王哲哲
一、预习部分（课前完成）
〔目的〕：
1、用溶胶-凝胶法制备Tio2光学薄膜。
2、学习紫外掩膜辐照光刻法制备Tio2微细图形。
3、微细图形结构及形貌分析。
〔内容〕
1、了解溶胶凝胶制备薄膜的原理。
2、了解常见的微细加工的方法。
3、充分调研文献资料，确定实验方案。
4、实验制备和数据分析。
①、制备出感光性的Tio2薄膜凝胶，掌握制备工艺。
②、对Tio2凝胶薄膜进行紫外掩膜辐照。
③、制备出Tio2微细图形并进行热处理。
④、测试Tio2微细图形的结构和形貌特征，处理并分析数据。〔仪器〕：(名称、规格或型号)
紫外点光源、马沸炉、提拉机、光学显微镜、磁力搅拌器、紫外可见光分光光度计、提供制备Tio2材料的前驱物，溶剂等。
二、实验原理
1、Tio2的基本性质
Tio2俗称太白粉，它主要有两种结晶形态：锐钛型和金红石型，其中锐钛型二氧化碳活性比金红石型二氧化钛高。
特点：它是一种n型半导体材料，晶粒尺寸介于1~100 nm，TiO2比表面积大，表面活动中心多，因而具有独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，呈现出许多特有的物理、化学性质。
应用：在涂料、造纸、陶瓷、化妆品、工业催化剂、抗菌剂、环境保护等行业具有广阔的应用前景，TiO2半导体光催化剂因光催化效率高、无毒、稳定性好和适用范围广等优点而成为人们研究的热点。
纳米TiO2的制备方法：
物理制备方法：主要有机械粉碎法、惰性气体冷凝法、真空蒸发法、溅射法等；
物理化学综合法：又可大致分为气相法和液相法。目前的工业化应用中，最常用的方法还是物理化学综合法。
2、溶胶-凝胶法的基本概念
溶胶：是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中,并且不停地进行布朗运动的体系。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高,溶胶是热力学不稳定体系。
溶胶分类：根据粒子与溶剂间相互作用的强弱,通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。
凝胶：是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联,形成空间网状结构,在网状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。对于热力学不稳定的溶胶,增加体系中粒子间结合所须克服的能量可使之在动力学上稳定。
溶胶-凝胶法原理
溶胶凝胶法是将金属醇盐或无机盐作为前驱体，有机前驱体经过水解和缩聚反应形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的涂层。
溶胶粒子按照一定的机理生成，扩散而形成分散状的聚集体，当溶胶中的液相因温度变化，搅拌作用、化学反应或电化学作用而部分失水时，体系黏度增大，达到一定浓度时形成凝胶，将凝胶经过成型、老化、热处理工艺，可得到不同形态的产物，本实验一钛酸丁酯为基本原料，将钛酸丁酯融入有机溶液中，然后滴加到含有95%乙醇和冰醋酸的混合溶液中，由于被滴溶液含有谁，钛酸丁酯会发生水解，通过恒温磁力搅拌器不断搅拌，从而控制是钛酸丁酯均匀水解，见笑了水解产物的团聚，得到颗粒细小切均匀的溶胶溶液。
错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。
缩聚反应：(1)失水缩聚：-M-OH+HO-M=-M-O-H-+错误！未找到引用源。
(2)失醇缩聚：-M-OR+HO-M=-M-O-M-+ROH
钛酸丁酯的水解和缩聚反应：
溶胶-凝胶法工艺流程
溶胶凝胶法中的结构演变
如图:图中A 为溶胶,溶胶颗粒均匀分散
在溶剂中;溶胶颗粒在不断的碰撞
中联结成线状,之后又构成三维网
络,如图中B 所示,这是凝胶形成的
初步:图中C 为凝胶的老化过程,这
个过程随着溶剂的蒸发,凝胶颗粒
在溶液的表面张力等作用下,颗粒
接触边界发生缩颈(necking),颗粒间形成有机键结合,凝胶强度增加;随着凝胶化的进一步进行
,凝胶网络间隙中溶剂挥发完全,形混合液 钛酸丁酯 无
水
乙醇 二次蒸馏
水 研磨、烘焙
浓硝酸
搅拌
混合液 均匀混合液
真空干燥 黄色晶体 搅拌 均匀混合液黄色 无白色纳米二氧化钛粉末 无水乙醇
成含有大量溶剂挥发留下的孔隙的干凝胶(图l一2中(D));在进一步的干燥过程中,孔隙收缩(图1一2(E)),最后形成含有少量微小孔隙的非晶态玻璃体。如果进一步进行高温热处理,将转变成晶体,形成陶瓷或无机薄膜。
用这种方法制备的薄膜在干燥过程中易龟裂(由于大量溶剂的蒸发所产生的残余应力而引起的)客观地限制着所制备薄膜的厚度。
因此,膜厚不仅是其它制备方法遇到的问题,溶胶一凝胶方法也同样存在这方面的问题。
溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜优点:
①、可通过简单的设备,在各种规格和各种形状的机体表面形成
涂层;可获得高度均匀的多组分涂层和特定组分的不均匀涂层;
②、可获得粒径分布比较均匀的涂层;可通过多种方法对薄膜的
表面结构和性能进行修饰;
③、负载膜催化剂易回收利用,在催化反应中容易处理。
溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜缺点:
①、干燥过程中由于溶剂蒸发产生残余应力导致薄膜容易龟裂;
②、焙烧时由于有机物的挥发及聚合骨架的破坏,易导致薄膜龟
裂出现裂缝,甚至脱落;
③、薄膜的应力影响限制了薄膜的厚度;
④、溶胶的粘度、温度、浓度和机体的波动等因素影响制备的
薄膜质量;
⑤、由于机体比较光滑,薄膜与机体之间作用力小,负载牢固性
差。
3、光刻技术的基本知识
光刻工艺利用光敏的抗蚀涂层(光刻胶)发生光化学反应，将已经设计好的图形从掩膜板（mask）传递到芯片表面的光刻胶掩膜。光刻工艺的水平用分辨率、光刻精度、对准精度及缺陷密度等指标来度量。
光刻技术由三要素组成：光刻胶、掩膜板和光刻机。
光刻胶：又称为光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变。光刻胶有正负之分，正胶的基体是相对不可溶的苯酚-甲醛聚合物，也称为苯酚-甲醛树脂，在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成可溶状态；负胶的基体大多数是聚异戊二烯类型的聚合物，曝光后会由非聚合态变为聚合态，形成一种互相粘结的抗刻蚀物质。直到20世纪70年代中期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，到20世纪80年代，正胶逐渐被接受。正胶的分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶；负胶的分辨率差，适于加工线宽≥3μm线条。正胶使用水溶性溶剂显影而负胶使用有机溶剂显影。光刻过程中，光刻胶通过旋涂工艺（见实验一）在硅片（玻璃）衬底上经涂覆制备成薄膜后供下道工序使用。光刻胶的折射率和玻璃接近约为1.45。
掩膜板（mask）：是光刻技术工艺流程的关键要素，也是限制最小光
刻分辨率（线宽）的瓶颈之一。应用于光电子器件芯片制造的光掩膜一般为高敏感度的铬板(chrome)，是由基板和不透光材料两个部分组成的光刻图样。基板通常是高纯度、低反射率和低热膨胀系数的石英玻璃，不透光层是通过溅射方法镀在玻璃上厚约0.1um的铬层。光刻机是将光源、掩膜板和涂覆有光刻胶薄膜的衬底片依次固定安放，使一定的波长的光线通过掩膜板投射到光刻胶薄膜上，形成与掩膜板的图形相反的感光区，对光刻胶进行曝光的装置。光刻机的种类很多，按照光源分类，主要有紫外(UV)光刻机、深紫外(DUV)光刻机、极紫外(EUV)光刻机和X射线(X-ray)光刻机。目前产业中使用最多的是前两种光刻机。
当光刻胶薄膜经光刻机曝光，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形成了版图图形，为后序的薄膜刻蚀、掺杂等器件工艺做好准备。
随着光电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经超出了许多传统领域，几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形成过程。因此，未来光刻技术的发展会更加多样，如深紫外和极紫外光刻、电子束光刻技术和激光直写光刻技术的开发，纳米压印和扫描探针光刻等新技术的发展和应用。
由于在溶胶中掺入了一定量的光敏剂,使得凝胶膜具有感光性,用紫外照射(35Onm)约100s，紫外线照过的地方薄膜完整保留, 而未照射的部分被完全溶解, 在基板上形成凝胶薄膜的微细图案。紫
外线照射到感光性薄膜时, 随着感光性螯合物的分解, 薄膜在乙醇中的溶解性也发生变化, 利用这一特性可以对二元系薄膜进行微细加工,紫外光通过具有微细图案的玻璃掩膜照射薄膜, 再通过在乙醇中的溶解, 便形成了如下图所示（图a及图b）的薄膜图案。由于光照前后凝胶膜在某些溶液中的溶解度会发生变化,原可溶解的凝胶膜经光照后在该溶液中不再溶解,因此可以用这种化学溶液(一般用乙醇、甲醇等有机溶剂)溶解掉未曝光的部分,形成所需的器件图形。如下图为光刻原理图：
（a）（b）
在光刻过程中,SOl-gel法中光敏硅基的光化学反应过程如下:
R-M-X错误！未找到引用源。R-M·+X·
R-M+X+Ti-OH错误！未找到引用源。R-M-O-Ti+HX
R-M-O-Ti错误！未找到引用源。Ti-O-M-O-Ti
其中x是可感光的基团,R是可挥发的有机基团,M是金属和金属基团。在SOl-gel中,加入一定量的光敏材料后,会形成一定量的
(R-M-X)基团,这一光敏性基团在一定的波长的光的作用下,使
M-X键断裂,产生反应能力很强的基团(R-M·)和(X.)。(R-M·)基
团与凝胶大量存在的钛烷醇基团(Ti-OH)起反应形成(R-M-O-Ti)。
然后在加热的作用下(R-M-O-Ti)进一步缩合和R的挥发,使金属M永久性的结合在的网络中,从而形成具有一定形状的图形。
温度对错误！未找到引用源。薄膜的影响
400 ℃退火的样品， XRD谱线出现少量微弱的衍射峰，经与图
3.3.1(j)对比可以判断薄膜中出现锐钛矿相错误！未找到引
用源。；从 600 ℃退火样品的 XRD谱线并结合图 3.3.1(k)可知，薄膜中已出现金红石相错误！未找到引用源。；随着退火温度的升高，锐钛矿相错误！未找到引用源。特征衍射峰逐渐减弱，金红石相错误！未找到引用源。特征衍射峰逐渐增强；
900 ℃金红石相衍射峰强度明显增加；退火温度在 1000 ℃以上时样品已经完全转变为金红石相。错误！未找到引用源。有几种结晶相，其中最常见的是具有热力学平衡态的金红石相和亚稳态的锐钛矿相，金红石和锐钛矿在高温合成时都很容易形成，但是在较高的温度下更容易形成金红石。必须指出，在 20 ：
22.36出现的峰并非错误！未找到引用源。的衍射峰，而是
所使用的硅衬底固有的衍射峰，参见图2。在 1200 ℃退火时，由于错误！未找到引用源。薄膜与硅基片之间发生扩散和迁移程度加剧，所以 si的 22.36的峰尤其明显，其强度与金红石相主峰可比，同时由于高温退火促使错误！未找到引用源。薄膜与硅基片之间发生扩散和迁移程度加剧，从而影响了金红石相的结晶状况，所以1200 ℃退火时，金红石相主峰比 1000 ℃时还低。
图 3.3.1 不同退火温度下的错误！未找到引用源。薄膜试样及两种标准错误！未找到引用源。相的 XRD 图谱
图 3.3.2 硅衬底的X RD 图谱
既有锐钛矿又有金红石相的错误！未找到引用源。薄膜中锐钛矿相的质量分数满足
式中， R 为金红石相最强峰强度， A 为锐钛矿相最强峰强度。
淀积态错误！未找到引用源。薄膜以及 200℃退火的Ti薄膜表面比较致密，颗粒很小，无明显的晶粒,呈现非晶态，这与 XRD 测试结果吻合。在 400℃退火的错误！未找到引用源。薄膜表面开始呈现凹凸状，并且出现少量的小晶粒，但是大部分为非晶态 Ti，结合 XRD 分析结果可知，错误！未找到引用源。薄膜由非晶态向锐钛矿晶体转变的临界退火温度在 400 ℃左右。
600℃退火的错误！未找到引用源。薄膜表面晶粒明显增多，但是晶粒尺寸仍然很小，表面起伏较小。800℃退火的错误！
未找到引用源。薄膜表面晶粒进一步增多，晶粒尺寸明显增大，平均粒径为 53．939ni/l，薄膜表面形貌已经呈现出明显的晶体特征，结合 XRD测试结果分析，800℃退火的 Ti薄膜中锐钛矿相与金红石相并存，且金红石相较多。当退火温度高于800 ℃时，随着退火温度的升高，晶粒尺寸进一步增大，在900℃、 950℃、1000℃和 1200℃退火的错误！未找到引用源。，薄膜的平均粒径分别为149.721nln、165.521ni/l、161.848nln 和 169.454nln，在1200℃退火的错误！未找到引用源。薄膜中最大粒径达 750.904 nm；同时还可以看出，随着退火温度的升高，晶粒大小的差别也更为明显。进一步地分析得随着退火温度的升高，平均粒径与最大粒径基本上是呈现增大趋势，其中最大粒径随退火温度的升高而增大尤为明显；但是也明显可见，退火温度为 1000℃样品的粒径有所减小。晶粒直径 D 与退火温度的关系
l
式中， C 为常数，Q 为晶界移动激活能，D为平均晶粒直径，R为里德伯常数。由上式可知，错误！未找到引用源。薄膜平均晶粒直径随退火温度的升高呈现指数增长，由此可以解释粒径随退火温度升高而增加的变化规律。至于当退火温度为 1000℃时，薄膜粒径反而有所减小，这是该温度下错误！未找到引
用源。薄膜完全转化成为金红石相所致。正是由于高温退火时，最大粒径随退火温度的升高而明显增大，从而抑制了部分小晶粒的生长，因此当退火温度高于 900℃时，随着退火温度的升高，最小粒径反而减小，参见图 3.3.3。
图3.3.3 错误！未找到引用源。薄膜粒径随退火温度变化曲线
4、实验仪器认知
提拉机:
溶胶配置好后,可以采用旋涂法或提拉
法来制得凝胶膜,本实验均采用后
者:提拉机是提拉法制膜中用到的
主要设备,用于薄膜制备时将基板
从溶胶中以一定的速率匀速提起,从而在基板上得到一层厚度均匀稳定的凝胶薄膜,如图2-2所示。
紫外可见分光光度计:
紫外可见分光光度计主要用来测量薄膜在紫外可见光范围内的吸收率和透光率,用于评价薄膜的光学性能及凝胶中鳌合物的形成。
本实验中薄膜的吸收率及透光率均是利用TU.1901双光束分光光度计,并用同种基板(石英玻璃)作参比而得到的。由紫外可见光光度计原理，A=log1/T,A是吸收度，T是透光率，用紫外测出A，则可测出透光率。
台阶仪：
台阶仪属于接触式表面形貌测量仪器。如右
图所示：
其测量原理是：当触针沿被测表面轻轻
滑过时，由于表面有微小的峰谷使触针
在滑行的同时，还沿峰谷作上下运动。
触针的运动情况就反映了表面轮廓的情况。
传感器输出的电信号经测量电桥后，输出与
触针偏离平衡位置的位移成正比的调幅信
号。经放大与相敏整流后，可将位移信号从
调幅信号中解调出来，得到放大了的与触针位移成正比的缓慢变化信号。再经噪音滤波器、波度滤波器进一步滤去调制频率与外界干扰信号以及波度等因素对粗糙度测量的影响。
三、实验步骤
①溶胶-凝胶的制备：
A) 根据摩尔比例：
钛酸丁酯：BZAC(苯甲酰丙酮)：甲醇：丙烯酸=1：0.5：40：2
总质量10g左右
计算可得所需：
钛酸丁酯：1.8426g
BZAC（苯甲酰丙酮）：0.4390g
甲醇：6.9386g
丙烯酸:0.7803g
B) 取材，用电子称称量所需药品于同一试剂瓶内，需注意：甲醇易挥发应在最后称量，且在加入BZAC时有少量沉淀生成，此时滴入5滴硝酸。
C) 称量完成，放在磁力搅拌机搅拌2-3小时，不可太快，要均匀旋
转使其溶解均匀。
D) 沉化：放在恒温箱2~3天静置使其混合均匀以便实验使用。
②提拉薄膜：
A) 清洗石英基片：用蘸有无水乙醇的纸巾擦拭清洗干净的石英基片
夹
B) 提拉：在提拉机的夹子上晾干，
设置适当的提拉机的参数：
选用mode：一步法
提拉速度:提拉速度越快，膜越厚,调节适当速度使膜不开裂，当光反射形成黄绿色或金黄色色泽的光即可，此时膜厚度大约在200nm左右
悬面距离：（使夹子与液面相距2~3ml)，应注意的是：液面具有虹吸效应，为防止其他杂质污染溶胶，在提拉过程应注意夹子与装有溶胶瓶子的内壁以及液面的距离，防止接触。
静置时间，拉出薄膜。
C)取出：将提拉出来的凝胶膜另一面用蘸有无水乙醇的纸巾擦去，
注意不能碰及另一面的薄膜将擦拭完的石英基片把有膜的一面倒放在特定的坩埚上，为了防止其他杂质污染到薄膜。
注意：若制备溶胶-凝胶与提拉薄膜的间隔时间较长，导致BZAC溶胶液出现大量结晶，可加入适量硝酸并搅拌一定时间后使结晶溶解再进行下面实验。
③光刻：
换用硅基片提拉出色泽、颜色等较为美观的薄膜，按照同样的方法分别提拉出4片薄膜。4片中2片拉膜并用光栅一次遮挡，用紫外点光源曝光一定时间（一维处理），另外2片一维处理后光栅旋转90度再在同一位置曝光一定时间（二维处理）,其中每2片中一片在500℃温度下热处理！另外一片不热处理。将一维、二维处理及热处理后的样品用金相显微镜观察可得到其表面的长度以及面积！
④部分热处理：
A) 实验前先设定好马沸炉的程序。
如：加热到550℃，每分钟不超过5℃，初始温度30℃
100℃停留20min，200℃停留20min，550℃停留30min
程序：C-01（初始温度）：30℃
T-01(时间）：20min
C-02(到达温度）：100℃
T-02(停留时间）：20min
C-03：100℃
分别取BZAC一维和二维各一片，反面朝下，放在mini型马沸炉500℃热处理15分钟。
⑤形貌的表征：
A) 拉膜处理后，用金相显微镜观察薄膜的表面
B) 用台阶仪测量薄膜的厚度级线宽
四、实验数据及处理
提拉速度mm/s 停留时间s BZAC 100 30
热处理后的一维图：
长度：298.22um
热处理后的二维图形
长度：298.22um 长度：298.22um
未热处理的一维图
未热处理的二维图
薄膜面板开关按键技术资料
薄膜面板开关按键技术资料 薄膜开关、薄膜面板是近年来国际流行的一种集装饰性与功能性为一体的电子整机产品的新的操纵系统，已成为我国电子产品升级换代、出口产品不可缺少的配套部件。 薄膜开关、面板集开关按键、面板功能文字、标记、商标、透明窗及显示于一体，并且采用多层整体密封结构。因此它具有耐磨擦、防水、防尘、防有害气体、寿命长、性能稳定等特点。为了整机的整洁，面板可以擦洗，字符不受损伤，色彩丰富、保新性好，安装方便。不仅如此，薄膜开关、面板的应用，更能充分体现产品功能与色彩独具匠心的构思，以提高产品的外观质量和增加产品的时代气息。 薄膜开关、面板已广泛用于智能化电子测量仪器、医疗仪器计算机控制、数控机床、电子衡器、邮电通讯、复印机、电冰箱、微波炉、电风扇、洗衣机、电子游戏机等各类工业及家用电器产品。 薄膜开关
薄膜面板
薄膜面板 薄膜面板是一种由弹性薄膜(PVC/PC/PET)加工而成的具有一定功能字符指示的装饰性面板，具有防水、防尘、耐摩擦、不褪色等优良特点，目前广泛用于家用电器、通讯设备、仪
器仪表、工业控制等领域。 薄膜面板的印刷工艺要分为正面和反面印刷，分别应用于不同材质和类型的薄膜面板上。大致可以分为平面类和压鼓类。 平面类薄膜面板是最简单的面板类型，主要是用不同颜色的文字、线条、色块对各个功能部位加以指示或加以区分，用户可以根据自身的需要来选择不同的薄膜材料及双面胶。 压鼓类薄膜面板是在平面型薄膜面板的基础上新开发出的一种较为美观而且实用的面板。它的制作流程是，是在普通面板的基础上，通过一种压制模具，将面板经过热压后使按键部位微微凸起形成立体按键。这种立体键不仅能准确地给定键体的围，提高辨认速度，使操作者的触觉比较敏感，同时还增进了产品外观的装饰效果。 制作面板的薄膜应当具备哪些条件？ 面板薄膜是将彩色油墨丝印至透明高分子聚合物背面，一旦丝印完成并切割成形，此层就成为彩色面膜层。面膜层为薄膜开关的组成部分，它能清楚地显示开关的功能、显示颜色、面膜类型以及开关的操作位置，它还能起保护作用。 作为薄膜开关的面板，它主要担负着产品外观的装饰与防护作用，因此用于制作面板的薄膜，至少应具备以下条件：①良好的外观：指制作面板的薄膜表面平整、光泽一致，没有机械性损伤、划痕、夹杂物及色斑等表面缺陷。②较好的耐候性：面板层是薄膜开关曝露在自然环境中的表面层，其面板材料要能在一定自然环境条件下，不变形、开裂、老化和变色等。③较好的耐化学性：面板层将有可能触及不同的化学药品，但对常见的大多数化学品而言，如醇类、醚类、矿物油类应有一定的耐受能力。④尺寸稳定性好：要求制作面板的薄膜，在一定的温度围（一般为-40℃~55℃）尺寸尺寸无明显变化。⑤弹性要求：要求面板层薄具有一定回弱性能，同时，弹性变形要小，可以用材料的延伸率判断，一般来说延伸率大，弹性变形量也大，加弹性能就差。根据上述要求，常用于面板的薄膜通常有聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PE)、聚酯及聚胺酯等几种薄膜。 如何选择薄膜面板的用材品种？ 适合于制作面板层的薄膜材料，按照其种类通常可以分为PC、PVC、PET三种；按照其表面状态又可以分为砂面（半透3明膜）与光面（透明膜）。 PC材料的物理特性与化学特性的综合指标较好，其适应的油墨也较广泛，是薄膜开关 面板层应用最为普遍的材料。PC材料有砂面与光面之区分，选择砂面状材料的理由是因为
F掺杂二氧化锡导电薄膜的制备及机理研究(DOC)
摘要 本文以SnCl2·2H2O、NH4F为原料，采用溶胶-凝胶法制备FTO透明导电薄膜。通过对薄膜制备的各种工艺参数包括FTO溶胶的配制、基体的处理、涂层厚度、热处理等的实验分析，利用太阳膜透过率测量仪、测试电阻等手段，以光电性能为测试内容，综合探讨了F掺杂浓度、热处理温度、薄膜厚度对薄膜的光电性能的影响。 实验得出FTO溶胶的配置方案为：SnO2的浓度为0.4 mol/L，H2O /SnCl2·2H2O=4 (mol ratio)，pH=2-3，F：Sn (mol%)=5 %。 在FTO薄膜中，适量的F掺杂会显著提高薄膜的导电性，并且透光率良好；随着热处理温度的提高，薄膜的导电性略微提高，透光率提高；薄膜厚度的增加使其导电性提高，但透光率有所下降。 最终得出：F掺杂浓度为5 mol%，热处理温度为500 ℃，薄膜厚度为3层时，FTO薄膜的光电性能最优，其平均透光率可达81.5 %，每厘米间电阻为978 。 关键词：溶胶-凝胶；FTO；SnO2；透明导电薄膜；F掺杂
Abstract In this paper, FTO composite transparent conductive films were prepared by sol-gel method. The raw materials are SnCl2·2H2O and NH4F. The various parameters of film preparation were studied, including the configuration of FTO sol, matrix processing, coating thickness, heat treatment temperature, etc. According to optical performance test, the effect of F doping concentration, heat treatment temperature and film thickness on the surface morphology and optical properties were studied by solar film transmittance measurement instrument and multimeter. The optimal configuration of SnO2sol: sol concentration 0.4 mo1/L, H2O /SnCl2·2H2O=4 (mol ratio), pH=2-3; For FTO film, the appropriate amount of F doping can significantly improve the film conductivity and transmittance. As the increase of heat treatment temperature, the film conductivity and transmittance increase. As the increase of film thickness, the film conductivity increased, but the transmittance decreased. When the F doping concentration is 5mol%, heat treatment temperature at 500 ℃, and film thickness is 3, the FTO film has the best optical properties, the average light transmission rate is up to 81.5 %, and resistance is 978 per centimeter. Key words: sol-gel; FTO; SnO2; transparent conductive film; F doping
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新能源综合报告 实验题目：Tio2薄膜的制备和微细加工 学院：物理与能源学院 专业：新能源科学与工程 学号：1350320 汇报人： 指导老师：王哲哲
一、预习部分（课前完成） 〔目的〕： 1、用溶胶-凝胶法制备Tio2光学薄膜。 2、学习紫外掩膜辐照光刻法制备Tio2微细图形。 3、微细图形结构及形貌分析。 〔内容〕 1、了解溶胶凝胶制备薄膜的原理。 2、了解常见的微细加工的方法。 3、充分调研文献资料，确定实验方案。 4、实验制备和数据分析。 ①、制备出感光性的Tio2薄膜凝胶，掌握制备工艺。 ②、对Tio2凝胶薄膜进行紫外掩膜辐照。 ③、制备出Tio2微细图形并进行热处理。 ④、测试Tio2微细图形的结构和形貌特征，处理并分析数据。〔仪器〕：(名称、规格或型号) 紫外点光源、马沸炉、提拉机、光学显微镜、磁力搅拌器、紫外可见光分光光度计、提供制备Tio2材料的前驱物，溶剂等。 二、实验原理 1、Tio2的基本性质 Tio2俗称太白粉，它主要有两种结晶形态：锐钛型和金红石型，其中锐钛型二氧化碳活性比金红石型二氧化钛高。
特点：它是一种n型半导体材料，晶粒尺寸介于1~100 nm，TiO2比表面积大，表面活动中心多，因而具有独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，呈现出许多特有的物理、化学性质。 应用：在涂料、造纸、陶瓷、化妆品、工业催化剂、抗菌剂、环境保护等行业具有广阔的应用前景，TiO2半导体光催化剂因光催化效率高、无毒、稳定性好和适用范围广等优点而成为人们研究的热点。 纳米TiO2的制备方法： 物理制备方法：主要有机械粉碎法、惰性气体冷凝法、真空蒸发法、溅射法等； 物理化学综合法：又可大致分为气相法和液相法。目前的工业化应用中，最常用的方法还是物理化学综合法。 2、溶胶-凝胶法的基本概念 溶胶：是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中,并且不停地进行布朗运动的体系。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高,溶胶是热力学不稳定体系。 溶胶分类：根据粒子与溶剂间相互作用的强弱,通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。 凝胶：是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联,形成空间网状结构,在网状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。对于热力学不稳定的溶胶,增加体系中粒子间结合所须克服的能量可使之在动力学上稳定。
各种薄膜的区别和应用
| PC、PET、PMMA、PI、PP等膜片材特性及应用 一、PC薄膜 1. 特性 一种无定型、无臭、无毒、高度透明的无色或微黄色热塑性工程塑料，具有优良的物理机械性能，尤其是耐冲击性优异，拉伸强度、弯曲强度、压缩强度高、蠕变性小、尺寸稳定；具有良好的耐热性和耐低温性，在较宽的温度范围内具有稳定的力学性能、尺寸稳定性、电性能和阻燃性。 使用温度：-30～120℃，厚度：0.07～1.0mm，表面效果：光面、沙面、拉丝面 2. 适用范围：艾柯特胶带阻燃PC薄膜广泛用于电子元器件、电器外壳、开关面板、接线盒及充电器外壳、汽车仪器仪表及有阻燃要求的面板印刷等。印刷级磨砂PC薄膜适用于特种印刷、头盔、标牌、铭板、防护罩等。防刮花PC薄膜应用于手机、MP3、MP4、DVD、背光源等电子产品的视窗镜片。 二、PET薄膜 1. 特性 PET膜又名耐高温聚酯薄膜。具有优异的物理性能、化学性能及尺寸稳定性、透明性、可回收性。机械性能优良，其强韧性是所有热塑性塑料中最好的，抗张强度和抗冲击强度比一般薄膜高得多，且挺力好，尺寸稳定，还具有优良的耐热、耐寒性和良好的耐化学药品性和耐油性。 使用温度：-60～120℃，厚度：0.125mm-0.35mm，表面效果：光面、沙面、拉丝面 2. 适用范围：艾柯特胶带PET薄膜分为：PET热收缩膜、PET抗静电膜、PET高光亮膜、PET反光膜、化学涂布膜等，其中化学涂布膜主要是为了提高PET薄膜的表面性能，用丙烯酸乳液涂布可提高PET的印刷适性，用聚氨酯水溶液涂布能加强镀铝层与PET基膜的结合力；PET高光亮膜因其优异的机械性能和光学性能主要应用于高档真空镀铝产品和激光防伪基膜；PET反光膜因其优良的光学性能以及耐老化、热稳定好等特点，主要应用于反光广告牌、交通反光标识和工业安全标志等。 三、PMMA薄膜 1. 特性 PMMA膜又名聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，无毒环保，具有良好的化学稳定性和耐候性。良好的综合力学性能，在通用塑料中居前列，而且PMMA树脂在破碎时不易产生尖锐的碎片。美国、日本等国家和地区已在法律中作出强制性规定，中小学及幼儿园建筑用玻璃必须采用PMMA树脂。 使用温度：-30～80℃，厚度：0.5mm-8mm，表面效果：光面、沙面、拉丝面 2. 适用范围：艾柯特胶带PMMA薄膜应用范围非常广，已广泛应用汽车工业（信号灯设备、仪表盘等）、医药行业（储血容器等）、工业应用（影碟、灯光散射器）、电子产品的按键(特别是透明的）、日用消费品（饮料杯、文具等）等。同时因其优异的光学特性，白光的穿透性高达92%。PMMA制品具有很低的双折射，特别适合制作影碟和高级光学镜片等。 四、PI薄膜 1. 特性 PI薄膜又称聚酰亚胺薄膜，是一种新型的耐高温有机聚合物薄膜，它是目前世界上性能最好的薄膜类绝缘材料,具有优良的力学性能、电性能、化学稳定性以及很高的抗辐射性能、耐高温和耐低温性能。
氧化锡的制备工艺
SnO2具有更宽的带隙和更高的激子束缚能，SnO2体材料的密度为5.67g/cm，通常制备的SnO2薄膜密度大约为体材料密度的80～90%，熔点为1927摄氏度。SnO2及其掺杂薄膜具有高可见光透过率、高电导率、高稳定性、高硬度和极强的耐腐蚀性等性能。宽带隙半导体的纳米线具有巨大的纵横比，表现出奇特的电学和光学性能，使其在低压和短波长光电子器件方面具有潜在的应用前景。与传统SnO2相比,由于SnO2 纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,因而在光、热、电、声、磁等物理特性以及其他宏观性质方面都会发生显著的变化。 二、纳米氧化锡的制备 1.固相法 1)高能机械球磨法 高能机械球磨法是利用球磨机的转动或振动,对原料进行强 烈的撞击、研磨和搅拌。 2)草酸锡盐热分解法 2.液相法 1)醇—水溶液法 2)溶胶—凝胶法 溶胶—凝胶法的基本原理是:金属醇盐或无机盐在有机介质 中经水解、缩聚,形成溶胶,溶胶聚合凝胶化得到凝胶,凝胶经 过加热或冷冻干燥及焙烧处理,除去其中的有机成分,即可得
到纳米尺度的无机材料超细颗粒。 3)微乳液法 微乳液法是将两种反应物分别溶于组成完全相同的两份微乳液中;然后这两种反应物在一定条件下通过物质交换彼此发生反应,借助超速离心,使纳米微粒与微乳液分离;再用有机溶剂清洗除去附着在表面的油和表面活性剂;最后在一定温度下干燥处理,即可得到纳米微粒的固体样品。 4)沉淀法 沉淀法分直接沉淀法和均匀沉淀法，直接沉淀法是制备超细氧化物广泛采用的一种方法,它是在含有金属离子的溶液中加入沉淀剂后,于一定条件下生成沉淀,除去阴离子,沉淀经热分解。均匀沉淀法是利用某一反应使溶液中的构晶离子从溶液中缓慢均匀地释放出来。制得超细氧化物。 5)水热法 水热法制备超细微粉的技术始于1982年,它是指在高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应氧化物在水中的溶解度,氢氧化物溶入水中同时析出氧化物。 6)微波法 7)锡粒氧化法 3.气相法 1)等离子体法 等离子体法是在惰性气氛或反应性气氛下通过直流放电
TiO2阵列薄膜
TiO2和HfTiO4薄膜在微电子中应用与表征研究 摘要：研究掺TiO2阵列基透明氧化物半导体在微电子的应用，通过低压集中热 反应磁控溅射法制备TiO 2和掺Hf的TiO 2 薄膜，沉积在(100)方向的硅基板上，沉 积后在空气中1000K进行退火处理4小时。通过X衍射(XRD)，原子显微镜(AFM),X 射线光电子能谱(XPS)研究薄膜阵列的性质。XRD分析表明经热处理后将增强薄 膜的结晶，TiO 2和斜方HfTiO 2 薄膜出现形状规则的金红石相。AFM图分析表明该 纳米薄膜显示高度有序，整个样品表面上晶粒的尺寸和排列时均匀的。薄膜的化学计量比可以通过XPS检测来确定。 关键字：TiO2 薄膜 HfTiO4阵列透明氧化物半导体 Abstract:We study the possible microelectronics applications of transparent oxide semiconductors based on TiO2-doped matrix. TiO2 and Hf-doped TiO2 thin films were prepared by low pressure hot target reactive magnetron sputtering (LP HTRS) and deposited onto monocrystalline (100) silicon substrate. After deposition thin films were additionally annealed in air for 4 hours at 1000 K. Properties of the thinfilms matrixes were studied by means of X-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XRD investigations have shown that heat treatment enhances the crystallity of the thin films. Well-shaped lines of the rutile phase for TiO2 and the orthorhombic HfIiO4 have appeared. AFM images showed that the nanocrystalline thin films exhibit the high ordering grade. The dimension and arrangement of grains were homogenous on the whole sample surface. The stoichiometry of manufactured thin films was confirmed by XPS examinations. Keywords：TiO2 thin films HfTiO4 matrix transparent oxide semiconductors 1 引言 TiO2是一种重要的无机功能材料，因有氧空位存在而呈N型，二氧化钛有锐钛矿、金红石和板钛矿3 种晶型，可用于制备染料敏化太阳能电池[1]、气敏传感器[2]、光催化薄膜[3]、电介质材料、光裂解水[4]、无机涂料等，应用于水或空气的净化，水分解制氢，无机薄膜太阳能电池等能源与环境领域。1991年，Gr?tzel等[1]利用具有大比表面积TiO2纳米晶多孔薄膜作为光阳极材料制备了电池器件，获得的能量转换效率高达7.1%，这种Gr?tzel电池因其制备简单、材料易得和成本低廉等优点而备受关注。近年来，利用半导体材料降解环境中的污染物已越来越受到人们的关注。TiO2的禁带宽度仅为3.2eV，只能吸收波长小于387.5 nm 的紫外光(约占太阳光的4.5%)，而可见光占太阳光的45%，严重限制了其实际应用。而且，在光催化反应中，纯相TiO2产生的光生电子和空穴易在光催化剂体相内和表面快速复合，极大地降低了其量子效率[5–6]。因此，有必要寻找有效的方法来提高其可见光活性和光生载流子的分离效率。TiO2这种半导体材料的光催化性能自上世纪70年代开始受到人们的重视，其中，TiO2是一种理想的半导体光催化剂材料，因为它拥有较宽的禁带宽度，光催化活性高，催化简单有机物彻底，良好的化学稳定性，不会引起二次污染等优势。因此，它被广泛应用于杀菌、除臭、污水处理、空气净化等方面。将TiO2与窄带半导体复合形成异质结可有效解决上面的两个问题，Sun 等[7]制备了CdS/TiO2纳米管阵列，其光电效应是TiO2 纳米管阵列的35 倍；Zhang 等[8]将CdSe 沉积到TiO2纳米管中，显著提高了其可见光下的光电流；Hou等[9]将Cu2O 与TiO2纳米管复合后有效提高了其可见光光催化活性。在可见光照射下，从这些窄带半导体上激
【开题报告】ZnO-SnO2透明导电薄膜光电特性研究
开题报告 电气工程与自动化 ZnO-SnO2透明导电薄膜光电特性研究 一、选题的背景与意义： 随着电子信息产业的迅猛发展，透明导电薄膜材料被广泛应用于半导体集成电路、平面显示器、抗静电涂层等诸多领域，市场规模巨大。 1. 透明导电薄膜的概述 自然界中往往透明的物质不导电,如玻璃、水晶、水等，导电的或者说导电性好的物质往往又不透明,如金属材料、石墨等。但是在许多场合恰恰需要某一种物体既导电又透明,例如液晶显示器、等离子体显示器等平板显示器和太阳能电池光电板中的电极材料就是需要既导电又透明的物质。透明导电薄膜是薄膜材料科学中最重要的领域之一，它的基本特性是在可见光范围内，具有低电阻率，高透射率，也就是说，它是一种既有高的导电性，又对可见光有很好的透光性，而对红外光有较高反射性的薄膜。正是因为它优异的光电性能，它被广泛的应用在各种光电器件中，例如：平面液晶显示器（LCD），太阳能电池，节能视窗，汽车、飞机的挡风玻璃等。自从1907年Badeker制作出CdO透明导电薄膜以后，人们先后研制出了In2O3，SnO2，ZnO等为基体的透明导电薄膜。目前世界研究最多的是掺锡In2O3（简称ITO）透明导电薄膜，掺铝ZnO（简称AZO）透明导电薄膜。同时，人们还开发了CdInO4、Cd2SnO4、 Zn2SnO4等多元透明氧化物薄膜。 2. SnO2基薄膜 SnO2（Tin oxide，简称TO）是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度Eg=3.6eV，n 型半导体。本征SnO2薄膜导电性很差，因而得到广泛应用的是掺杂的SnO2薄膜。对于SnO2来说，五价元素的掺杂均能在禁带中形成浅施主能级，从而大大改善薄膜的导电性能。目前应用最多、应用最广的是掺氟二氧化锡（SnO2:F，简称FTO）薄膜和掺锑二氧化锡（SnO2:Sb,简称ATO）薄膜。SnO2:Sb薄膜中的Sb通常以替代原子的形式替代Sn的位置。掺杂Sb浓度不同，电阻率不同，最佳Sb浓度为0.4%-3%（mol）的范围对应电阻率为10-3Ω·cm，可见光透过率在80%-90%。SnO2:F薄膜热稳定性好、化学稳定性好、硬度高、生产设备简单、工艺周期短、原材料价格廉价、生产成本
薄膜面板设计应注意的几个问题
薄膜面板设计应注意的几个问题 文字是操作功能的媒介，直接向操作者提示功能的作用，或对仪器性能作出解说。当采用分立元件时，其面板通常是将文字标注在分立元件的附近。而薄膜开关的面板，一般没有外置的元件，是以色块来表示模拟的键盘或元件的。为此，文字可直接标注在这个功能键盘的色块上，这样更为方便、直观。文字除了上述的特定作用外，在某种程度上起着对产品外观的修饰作用，为此应注重文字的规范化。此外，对文字形体的选择还应兼顾到制作图文的工艺———丝网印刷的特点。因此，对于通常所用的例如仿宋体，因其笔画纤细无力，细微的笔峰较难表现，与色块的力度不相适应；宋体与正楷，古朴有余，新意不足，与新潮的设计风格难以协调。我们建议，采用照相排字法制备文字，并推荐采用黑体与细线圆角体。这种字体笔画横竖等宽，字体方整易辨，与整体设计适应性强，工艺的再现性也较好。 所谓形意图案，是指除法定部分标志符号外，根据仪器某一操作内容的特点而精心设计的一组特定的图形标志，以取代文字的陈述，形意图案是近年来在产品外观上逐步得到应用的一种以图代文的解说形式。由于薄膜面板得天独厚的条件，使它能充分地发挥形意图案的效果，从而使外观更具有时代的气息。形意图案的特点是寓意形象，简练明快，表达力强，增进记忆，能起到文字注释难以起到的效果。为此在设计时，也要遵循这些原则，图案切勿牵强附会，使人百思不得
其解，这样反而会影响对仪器的使用。初用形意图案时，宜再辅以功能的文字，待为人们所接受，约定俗成后，再单独运用。 由于薄膜开关的面板是采用透明状的聚碳酸脂（PC）经特殊表面处理的材料制作而成的，因此凡是仪器的显示部分，可与面板制成一个整体，无须挖孔开窗。这是金属面板无法实现的。透明窗孔有两种类型：一种是供显示元件指示参数用，称为显示窗；另一种是供发光二极管（LED）指示之用，以提供操作元件的执行情况，称为指示窗。各透明窗宜设计成透明有色，这样可隐蔽底部的元件，活跃面板的气氛，区分动作的功能。选择适当的透明色彩，还可以起到对发光数显示元件的滤色增光的作用，使数字显示更为清晰。转载请留下链接薄膜面板https://www.360docs.net/doc/f419053409.html, 谢谢。
TiO2薄膜制备与性能解读
目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 1 绪论 (3) 2 国内外研究文献综述 (5) 2.1 TiO 的结构 (5) 2 薄膜亲水性原理 (5) 2.2 TiO 2 薄膜结构及其性能的影响 (6) 2.3 相关参数对TiO 2 2.3.1 晶粒尺寸 (6) 2.3.2 结晶度和晶格缺陷 (6) 2.3.3表面积和表面预处理 (6) 2.3.4 表面羟基 (6) 2.3.5 薄膜厚度 (7) 3 实验部分 (8) 3.1 实验系统介绍 (8) 3.2 衬底的选择及清洗 (9) 薄膜的实验步骤 (9) 3.3 直流磁控溅射制备TiO 2 3.4 亲水性测试 (9) 4 实验结果及参数讨论 (10) 薄膜的工作曲线的影响 (10) 4.1 氧流量对TiO 2 4.2 溅射功率的选择及其对薄膜的性能影响 (11) 4.3 总气压对薄膜性能的影响 (13) 4.4 氧氩比对薄膜亲水性的影响 (13) 4.5 基片温度对薄膜性能的影响 (14) 4.6 热处理对薄膜性能的影响 (16) 结论 (18) 谢辞 (19) 参考文献 (20)
直流磁控溅射法制备TiO2薄膜 摘要：本文利用直流磁控溅射法在不同条件下制备玻璃基TiO2薄膜样品，并检测了薄膜的超亲水性。研究了沉积条件例如溅射总气压，氧气和氩 薄膜最佳性气的相对分压，溅射功率，基片温度和后续热处理对TiO 2 薄膜是无定型且能的影响。实验结果显示：在较低温度下沉积的TiO 2 亲水性较差。相反，在4000C到5000C范围内退火过后，薄膜表面呈 现超亲水性能。本文在实验中获得的最佳制备条件为：溅射功率为 94 W，溅射气压在2.0Pa，氧氩比是2:30，基片温度为400 0C，最后 在空气气氛中退火，温度为4500C。 关键词：直流磁控溅射；TiO2薄膜；超亲水性；退火温度
薄膜开关材料
薄膜开关材料 一、面板（印刷层） 1、材料的种类：面板层的材料要求，除了平整性与印刷适应性外，更重要的是要具有可挠性及高弹性的特点。常用的材料见下表： 名称使用温度厚度（mm）表面效果理化特性价格适用范围 聚氯乙烯PVC 60℃0.175～0.5亚光/亮光 常温下对酸、碱和盐类稳定。 耐磨性好，耐燃自熄，消声 消震，电绝缘性好。热稳定 性较差 低廉普通标牌、面板 聚碳酸脂 PC -60～120℃0.175～0.25亚光/亮光 是制作薄膜开关电路最理想 的基材。 其中有纹理PET适合对表面 要求较高或具有液晶显示窗 的产品。 适中 适用范围最为广泛， 除可满足大多数薄 膜开关面板的要求 外，其中光面PC的 高透光率更可满足 带液晶显示窗的要 求。 聚脂PET -30～120℃0.1～0.2亚光/亮光 耐药品性良好，不溶于一般 有机溶剂，不耐碱。具有优 良的机械性能、电性能、刚 性、硬度和热塑性塑料中最 大的强韧性，吸水性低，耐 磨损、耐摩擦性优良，尺寸 稳定性高。拉伸强度能与铝 膜媲美，大大高于PC、PVC。 适中，但 经过表面 纹理处理 较贵 是制作薄膜开关电 路最理想的基 材。其中有纹理 PET适合对表面要 求较高或具有液晶 显示窗的产品。 2、材料的各项特性： 项目聚氯乙烯（PVC）聚碳酸酯(PC)聚酯（PET 弯折寿命差较好优良
耐化学腐蚀能力较好一般优良最高耐温60℃140℃160℃ 耐磨损能力差较好优良（纹理膜）绝缘性能极好较差优良 透明度一般较好极好压鼓清晰度优良优良优良 温度级别压鼓时有限制优良优良 抗紫外线能力是否否 3、材料的比较： 适合制作薄膜面板的材料主要有：PVC（聚氯乙烯）、PC(聚碳酸酯)、PET(聚酯），厚度一般分为0.125\0.175\0.25三种，从表面分为砂面、亚光面和光面三种。 PC材料的物理特性与化学特性的综合指标较好，其适应的油墨也较广泛，是薄膜开关面板层应用最为普遍的材料。PC材料有砂而与光面之区分，选择砂面状材料的理由是因为薄膜开关的使用多是电子整机产品，作为操纵控制系统的面板不希望受光线的干扰，而砂面状的表面只呈漫反射状，不会产生明亮的反；同时，由于表面呈紊乱的砂粒状，具有掩蔽划痕的作用，与之相反，光而材料就不具备以上特点。但是作为光面材料，已经在背面印刷后，色彩会显得更为鲜艳夺目，在装饰性要求较强且又不需经常触动的场合，往往选择光面材料制作面板，或者由于某些显示区域如LCD液晶显示屏的特殊需要而考虑，选用光面材料较为有利。 PVC薄膜材料的价格较低，约为PC材料的二分之一，当生产民用普及型的产品，如果选择PVC材料,可降低生产成本，同时PVC材料的延展性较好，可采用冷压加工立体的图文。光面PVC 板材一般的厚度在0.5毫米以上，两面约有PE或水胶纸保护，大部份用于制作装饰性的面板；砂面的PVC材料一般厚度在0.3毫米以下，它一般以定尺的片材供应，没有卷材。
关于氧化锡的制备方法
SnO2体材料的密度为5.67g/cm，通常制备的SnO2薄膜密度大约为体材料密度的80～90%，熔点为1927摄氏度。SnO2及其掺杂薄膜具有高可见光透过率、高电导率、高稳定性、高硬度和极强的耐腐蚀性等性能。宽带隙半导体的纳米线具有巨大的纵横比，表现出奇特的电学和光学性能，使其在低压和短波长光电子器件方面具有潜在的应用前景。与传统SnO2相比,由于SnO2 纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,因而在光、热、电、声、磁等物理特性以及其他宏观性质方面都会发生显著的变化。 二、纳米氧化锡的制备 1.固相法 1)高能机械球磨法 高能机械球磨法是利用球磨机的转动或振动,对原料进行强 烈的撞击、研磨和搅拌。 2)草酸锡盐热分解法 2.液相法 1)醇—水溶液法 2)溶胶—凝胶法 溶胶—凝胶法的基本原理是:金属醇盐或无机盐在有机介质 中经水解、缩聚,形成溶胶,溶胶聚合凝胶化得到凝胶,凝胶经 过加热或冷冻干燥及焙烧处理,除去其中的有机成分,即可得 到纳米尺度的无机材料超细颗粒。
3)微乳液法 微乳液法是将两种反应物分别溶于组成完全相同的两份微乳液中;然后这两种反应物在一定条件下通过物质交换彼此发生反应,借助超速离心,使纳米微粒与微乳液分离;再用有机溶剂清洗除去附着在表面的油和表面活性剂;最后在一定温度下干燥处理,即可得到纳米微粒的固体样品。 4)沉淀法 沉淀法分直接沉淀法和均匀沉淀法，直接沉淀法是制备超细氧化物广泛采用的一种方法,它是在含有金属离子的溶液中加入沉淀剂后,于一定条件下生成沉淀,除去阴离子,沉淀经热分解。均匀沉淀法是利用某一反应使溶液中的构晶离子从溶液中缓慢均匀地释放出来。制得超细氧化物。 5)水热法 水热法制备超细微粉的技术始于1982年,它是指在高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应氧化物在水中的溶解度,氢氧化物溶入水中同时析出氧化物。 6)微波法 7)锡粒氧化法 3.气相法 1)等离子体法 等离子体法是在惰性气氛或反应性气氛下通过直流放电 使气体电离产生高温等离子体,使原料熔化和蒸发,蒸气遇
TiO2薄膜的结构及性能研究
钛氧膜的结构及性能研究 1 前言 TiO2有独特的光学、电学及化学性质,已广泛用于电子、光学和医学等方面。例如,作为氧传感器用于湿敏、压敏元件及汽车尾气传感器；作为光催化剂,可实现有机物的光催化降解,具有杀菌、消毒和处理污水等作用；利用其亲水亲油的“双亲”特性,可使镀有钛氧膜的物体具有自清洁作用,从而达到防污、防雾、易洗、易干等目的；而金红石相钛氧膜是很好的人工心脏瓣膜材料。对于TiO2的研究主要集中在制备、结构、性能和应用等方面。在TiO2性能方面的研究,尤以对其生物相容性和光催化性能的研究最为丰富。 Ti-O膜作为生物活性材料在生物体内可以长期稳定存在且不与生物组织发生物化反应，即具有良好的生物相容性，但其缺点在于植入生物体内后，不能有效地在材料表面形成有正常的细胞并维持长期的活性。国内外很多的研究者采用各种表面改性工艺方法，对材料表面进行生物活化或有机/无机复合等使材料表面挂带—COOH、—OH、—NH2等反应性基团，然后通过形成共价键使生物分子如蛋白质、多肽、酶和细胞生长因子等固定在材料表面，充当邻近细胞、基质的配基或受体，在材料表面形成一个能与生物体相适应的过渡层，以达到活化钛氧膜表面的效果。目前，对钛氧膜的表面改性方法主要包括离子表面注入法，碱处理以及酸活化处理等方法。 作为半导体光催化剂,纳米TiO2薄膜可以利用部分太阳光能,使反应在常温常压下进行,并且反应速度快,对污染物治理彻底,没有二次污染,十分符合环境治理中高效率低消耗的要求。加之TiO2具有高活性、安全无毒、化学性质稳定(耐化学及光腐蚀)、难溶、成本低等优点,因此被公认为是环境治理领域中最具开发前途的环保型光催化材料。TiO2作为光催化剂最初采用的是悬浮相,但这种悬浮相的光催化剂存在难搅拌、易失活、易团聚和回收困难等缺点，严重地限制了它的应用和发展。制备负载型光催化剂是解决这一问题的有效办法,TiO2的薄膜型光催化剂已引起人们的极大兴趣。 2 氧化钛的能带结构与晶体结构 2.1氧化钛的能带结构 氧化钛的能带结构如图1-1所示［1］。以金红石相为例，锐钛矿相的结构基本与其一致。氧化钛能带结构是沿布里渊区的高对称结构，3d轨道分裂为e g与t2g 两个亚层，但它们全是空的轨道，电子占据s和p能级；费米能级处于s、p能带和t2g能带之间；最低的两个价带相应于O2s能级。接下来6个价带相应于O2s 能级，最低的导带是由O3p产生生的，更高的导带能级是由O3p产生的。利用能带结构模型计算氧化钛晶体的禁带宽度为3.0（金红石相）、3.2（锐钛矿相）。
掺杂对二氧化锡薄膜光电性能的影响
第46卷第4期2018年4月 硅酸盐学报Vol. 46，No. 4 April，2018 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.360docs.net/doc/f419053409.html, DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2018.04.19 掺杂对二氧化锡薄膜光电性能的影响 王立坤1，郁建元1,2，王丽1，牛孝友1，付晨1，邱茹蒙1，晏伟静1，赵洪力1 (1. 燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛 066004；2. 唐山学院环境与化学工程系，河北唐山 063000) 摘要：二氧化锡(SnO2)是一种重要的透明导电金属氧化物半导体材料，掺杂可使其光电性能得到显著改善，拓展其应用领域。分析了SnO2薄膜的导电机制、载流子散射机理及近年来国内外学者对不同类型掺杂的SnO2薄膜的研究。掺杂引入的缺陷能级增加了载流子浓度，提高了薄膜的导电性。杂质离子散射和晶界散射是影响薄膜载流子迁移率的主要散射机制。光电性能严重依赖于掺杂元素的种类及掺杂量，多元共掺杂是极具发展潜力的方法。 关键词：二氧化锡薄膜；掺杂；导电机制；散射机理；光电性能 中图分类号：TB43 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2018)04–0590–08 网络出版时间：网络出版地址： Effect of Doping on the Photoelectric Properties of Tin Dioxide Thin Films WANG Likun1, YU Jianyuan1,2, WANG Li1, NIU Xiaoyou1, FU Chen1, QIU Rumeng1, YAN Weijing1, ZHAO Hongli1 (1. College of Materials Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei, China; 2. Department of Environmental and Chemical Engineering, Tangshan University, Tangshan 063000, Hebei, China) Abstract: Tin dioxide (SnO2) is an important transparent conductive metal oxide semiconductor, its electrical and optical properties can be significantly improved by doping, and the applications are expanded. Recent studies on the conductive mechanism, scattering mechanism of SnO2 film as well as different doped SnO2 films were reviewed. The defect levels introduced by the doping increase the carrier concentration and improve the conductivity of the film. Impurity ion scattering and grain boundary scattering are the main scattering mechanisms that affect the mobility of the films. The electrical and optical properties are closely related to the type and amount of doping elements. Multi-element co-doping is a promising method. Keywords: tin dioxide thin film; doping; conductive mechanism; scattering mechanism; electrical and optical properties 二氧化锡(SnO2)是n型宽禁带半导体，禁带宽度约为3.5~4.0eV，等离子共振边位于3.2μm处，折射率大约为2.0，消光系数趋于零，在可见光及近红外光区透射率约为80%，具有四方金红石结构(如图1)。SnO2单胞中由2个Sn原子和4个O原子组成，晶格常数为a=b=0.4737nm，c=0.3186nm，c/a为0.637。O2?离子半径为0.140nm，Sn4+离子半径为0.071nm。SnO2薄膜与玻璃和陶瓷基片附着良好，附着力可达20MPa[1?2]，并且具有透明导电、机械硬度高、化学稳定性好和低成本等优点，广泛应用于发光器件、气敏传感器、太阳能电池、Low-E 建筑节能玻璃等领域[3?5]。 科学技术的进步与生产应用的发展对SnO2薄膜的光电性能提出了更高的要求，如基于SnO2薄膜的低辐射玻璃可大幅度降低建筑能耗，发展前景良好[6?7]。但如何进一步降低电阻率、提高红外光区反射率是目前极具挑战性的课题。SnO2薄膜的光学和电学特性强烈的依赖于其微观结构、化学计量比的偏离和掺杂。未掺杂的二氧化锡薄膜由于有限的氧空位浓度、较低的载流子浓度和迁移率， 电阻很高，电学、光学、低辐射性和气敏性能等难以满足使用要求。通过对SnO2薄膜进行掺杂，可显著改善其光 收稿日期：2017–05–16。修订日期：2017–07–15。 基金项目：国家重点研发计划资助项目(NO. 2016YFB0303902)；河北省应用基础研究计划重点基础研究资助项目(17961109D)。 第一作者：王立坤(1991—)，男，博士研究生。 通信作者：赵洪力(1960—)，男，博士，教授。Received date: 2017–05–16. Revised date: 2017–07–15. First author: WANG Likun(1991–), male, Doctoral. candidate. E-mail: 541470978@https://www.360docs.net/doc/f419053409.html, Correspondent author: ZHAO Hongli(1960–), male, Ph.D., Professor. E-mail: zhaohongli@https://www.360docs.net/doc/f419053409.html,
TiO2薄膜的结构及性能研究
钛氧膜的结构及性能研究 摘要：主要介绍关于钛氧膜的能带结构，晶体结构以及钛氧膜的生物相容性能和表面活性等问题，还有钛氧膜的化学处理方法。 关键字：钛氧膜结构生物相容性表面活性 TiO2有独特的光学、电学及化学性质,已广泛用于电子、光学和医学等方面。例如,作为氧传感器用于湿敏、压敏元件及汽车尾气传感器；作为光催化剂,可实现有机物的光催化降解,具有杀菌、消毒和处理污水等作用；利用其亲水亲油的“双亲”特性,可使镀有钛氧膜的物体具有自清洁作用,从而达到防污、防雾、易洗、易干等目的；而金红石相钛氧膜是很好的人工心脏瓣膜材料。对于TiO2的研究主要集中在制备、结构、性能和应用等方面。在TiO2性能方面的研究,尤以对其生物相容性和光催化性能的研究最为丰富。 Ti-O膜作为生物活性材料在生物体内可以长期稳定存在且不与生物组织发生物化反应，即具有良好的生物相容性，但其缺点在于植入生物体内后，不能有效地在材料表面形成有正常的细胞并维持长期的活性。国内外很多的研究者采用各种表面改性工艺方法，对材料表面进行生物活化或有机/无机复合等使材料表面挂带—COOH、—OH、—NH2等反应性基团，然后通过形成共价键使生物分子如蛋白质、多肽、酶和细胞生长因子等固定在材料表面，充当邻近细胞、基质的配基或受体，在材料表面形成一个能与生物体相适应的过渡层，以达到活化钛氧膜表面的效果。目前，对钛氧膜的表面改性方法主要包括离子表面注入法，碱处理以及酸活化处理等方法。 1 氧化钛的能带结构与晶体结构 1.1氧化钛的能带结构 氧化钛的能带结构如图1-1所示［1］。以金红石相为例，锐钛矿相的结构基本与其一致。氧化钛能带结构是沿布里渊区的高对称结构，3d轨道分裂为e g与t2g 两个亚层，但它们全是空的轨道，电子占据s和p能级；费米能级处于s、p能带和t2g能带之间；最低的两个价带相应于O2s能级。接下来6个价带相应于O2s 能级，最低的导带是由O3p产生生的，更高的导带能级是由O3p产生的。利用能带结构模型计算氧化钛晶体的禁带宽度为3.0（金红石相）、3.2（锐钛矿相）。
二氧化锡薄膜的制备和应用研究进展
第２５卷第４期张谢群等：二氧化锡薄膜的制备和应用研究进展 化学试剂，２００３，２５（４），２０３～２０６二氧化锡薄膜的制备和应用研究进展 张谢群，余家国‘，赵修建，赵丽．刘升卫 （武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，湖北武议４３００７０） 摘要：介绍了近年来＿二氧化锅薄膜的制备方法和在功能材料中的应用。探时了各种方法的特点．提出了今后二氧化锡薄膜的发展趋势和应用前景。 关ｔ词：ＳｎＯ。薄膜Ｉ制备｝应用；应用研究进展 中图分类号；（）６４９文献标识码；Ａ文章编号：０２５８—３２８３（２００３）０４—０２０３—０４ 近年来，伴随着电子工业科技的飞速发展，薄膜技术日臻成熟，新的工艺使氧化物功能薄膜等作为半导体材料、介电材料、电极材料、催化剂和传感器等新材料，在许多领域得到了广泛应用，一门新的代表高科技发展方向的产业——薄膜产业应运而生，其中以透明导电薄膜、传感器、薄膜太阳能电池等为代表的薄膜产业尤为突出。众所周知，ＳｎＯ。是最早使用也是目前应用最广的一种气敏材料，是整个薄膜行业的基础。因此，有关二氧化锡薄膜的制备及性能的研究，已成为纳米薄膜材料和传感器材料研究领域中一个很重要的部分，在近几年得到了迅猛的发展。 二氧化锡是一种受到广泛重视的宽禁带半导体材料，具有一些独特的性能，例如掺杂后具有高导电率、高透射率以及较好的化学和热稳定性等，这些性质可应用在很多技术领域，包括太阳能电池、液晶显示器、光探测器、保护涂层等“］。近３０年来，二氧化锡一直处于金属氧化物半导体电阻式气体传感器研究的中心。 二氧化锡材料主要有烧结型、厚膜型和薄膜型几种，其中薄膜型材料由于在一致性、小型化、集成化和智能化等方面的优势，以及能满足实用中的要求，使国内外对于二氧化锡薄膜的研制开发近年来给｝Ｔ极大的重视“。用来制备二氧化锡薄膜的方法主要有化学气相沉积（ＣＶＤ）、物理气相沉积（ＰＶＤ）、喷涂热解（ｓｐｒａｙｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）和溶胶凝胶等方法。本文将系统地对有关ＳｎＯ。薄膜的制备［艺、应用与研究进展予以阐述，以期对有关的研究开发人员有所帮助。 １Ｓｎ０２薄膜的制备 １．１溶胶一凝胶法 溶胶凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位。该法采用无机盐或金属有机化合物，如醇盐（即金属烷氧基化合物）为前驱物，首先将其溶于溶剂（水或有机液体）中．通过在溶剂内发生水解或醇解作用．反应生成物缩合聚集形成溶胶，然后经蒸发干燥由溶胶转变为凝胶［３］。用溶胶凝胶技术制备二氧化锡薄膜，既具有低温操作的优点．又可严格控制掺杂量的准确性，而且还克服了其他方法制备较大面积薄膜时的困难，因此获得了广泛应用。如Ｓｕｎｇｒ”以锡的异丙醇盐为前驱物．用溶胶一凝胶法制成ＳｎＯｚ薄膜，研究了反应物浓度、ｐＨ、基片提拉速度、热处理温度、时间等因素对薄膜的厚度、电学以及光学性能的影响。刘威“等以ＳｎＣＩ。?２Ｈ２（）及乙醇为原料，利用溶胶凝胶法制备了纳米ＳｎＯ。薄膜，探讨了制膜的ｔ艺条件，同时考察了薄膜的晶相结构、晶粒尺寸、表面形貌以及薄膜中元素的化学状态与热处理条件之间的相互关系。郭玉忠”１等人通过溶胶体系流变学实验研究，给出了切粘度、特性粘度及ｐＨ随时间的变化曲线，在此基础上深入研究分析了ＳｎＯ。胶粒生长动力学过程特征、结构演变规律及其生长过程中伴随的质子Ｈ＋释放现象。实验和理论揭示出ＳｎＯ。胶粒遵循三阶段模型和胶粒结构不变性规律，同时溶胶酸性对生长动力学速率有较大影响．这为ＳｎＯｚ薄膜溶胶一凝胶工艺提供了深厚的理论基础。 收纂日期；２００２０７１８ 基盒项目：国家自然科学基金资助项目（５０２７２０４９． ５００７２０１６）；高等学校骨干教师资助计划。 作者简舟ｔ张谢群（１９７８一），女，安徽人，硕士研究生，ｔ霹 研究方向为功船薄膜材料．