一种巨红移高吸收钒镓共掺杂氧化钛薄膜的制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103088295A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103088295103088295A(43)申请公布日2013.05.08(21)申请号201310031537.X(22)申请日2013.01.28(71)申请人湖北大学地址430062湖北省武汉市武昌区学院路11号(72)发明人高云邓泉荣郭美澜夏晓红邵国胜(74)专利代理机构武汉金堂专利事务所42212代理人丁齐旭(51)Int.Cl.C23C14/08(2006.01)C23C14/34(2006.01)权权利要求书1页利要求书1页说明书3页说明书3页附图2页附图2页(54)发明名称一种巨红移高吸收钒镓共掺杂氧化钛薄膜的制备方法(57)摘要本发明提出了一种巨红移高吸收钒镓共掺杂氧化钛纳米薄膜的制备方法，其工艺步骤为：首先将掺钒0.1~5wt%和掺镓0.1~2.5wt%的二氧化钛制备成靶材。然后采用脉冲激光烧蚀（PLA）的方法制备掺杂氧化钛纳米薄膜，调节激光的能量为200-250mJ，激光频率为5HZ，在沉积过程中，通过调节沉积时间、溅射气压等参数来调节薄膜的厚度和质量。沉积完成后，将样品取出放入快速退火炉中进行高温退火。通过调整退火温度，可以将光吸收带边红移到1.6~2.3eV。掺杂后的薄膜光响应范围可覆盖300-1200nm，涵盖了可见光和近红外光，且与太阳光谱匹配性高，可吸收太阳光辐射总能量的90%。本发明制备工艺简单，易操作，可控性高，可应用于光催化降解污染物及光伏器件的吸收层。CN103088295ACN1038295ACN103088295A权利要求书1/1页1.一种巨红移高吸收钒镓共掺杂氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：a)、将钒、镓按0.1~5wt%和0.1~2.5wt%范围内的比例与纯度99.9%的二氧化钛粉末充分混合，经压片机高压成型后制备成靶材；b)、将制备好的靶材和清洗干净的石英衬底分别固定在脉冲激光烧蚀仪器的靶托和基座上，调节靶和衬底距离为5cm，打开泵抽系统将腔室真空抽至3×10-4Pa后，打开靶材和衬底自转开关，转速6rmp，调节激光能量调至200到250mJ，激光频率5HZ，进行沉积，沉积时间1~5小时；C）沉积结束后，在快速退火炉中进行退火，退火温度700oC~1100oC，退火时间10~30分钟。2CN103088295A说明书1/3页一种巨红移高吸收钒镓共掺杂氧化钛薄膜的制备方法技术领域[0001]本发明涉及的是一种氧化钛薄膜的制备方法，特别是巨红移高吸收钒镓共掺杂氧化钛纳米薄膜的制备方法，属于纳米薄膜制备和新能源材料领域。背景技术[0002]氧化钛是一种新兴的半导体氧化物材料，应用于光催化降解有机物和太阳能电池器件中，可有效缓解传统化石能源所带来的污染及温室效应，缓解能源危机。但氧化钛作为一种宽禁带半导体材料，其吸收边在太阳光谱的紫外区，只能利用太阳光5%的能量，大大限制其在工业生产中的推广应用。同时，氧化钛的光生载流子复合几率很高，不利于氧化钛实际应用效率的提高。为此，人们采取了很多办法来降低氧化钛的带隙，扩展其光响应范围，掺杂是解决这个问题的有效途径之一。[0003]研究发现，在众多掺杂剂中，过渡金属元素可以在氧化钛的禁带中引入杂质和缺陷能级，成为电子或空穴的捕获中心，抑制电荷在转移过程中的复合，或在禁带中引入新能级，减小带隙，诱导电子跃迁，扩展光响应范围（参见--高活性铁/锡离子共掺杂纳米二氧化钛光触媒的制备方法，专利号CN1799693）。同时，由于多离子轨道杂化的作用，双离子掺杂比单一离子掺杂更能有效的降低氧化钛的带隙（参见--高活性共掺杂二氧化钛催化剂的制备方法及其应用方法，专利号CN101011660），改善其光学性质。上述专利虽然改变了带隙，但是其光谱响应范围不够宽，与太阳能光谱强度最强的波段匹配也不够好。[0004]如何将氧化钛的带隙宽度调制到吸收太阳能光谱强度最强的波段（对应于450-750nm可见波段），以充分利用太阳能，提高光电转化效率，是目前氧化钛材料改性的重点。发明内容[0005]本发明的目的是针对以上问题，提出了一种新型巨红移高吸收钒镓共掺杂氧化钛纳米薄膜的制备方法，利用钒和镓这两种金属离子p-d轨道杂化的协同增效作用，来有效的降低氧化钛的禁带宽度，提高其在光催化和光伏领域对太阳光的利用率，改善产品性能。[0006]本发明采用石英衬底，选取适当化学配比的钒和镓两种金属作为掺杂剂，采用脉冲激光烧蚀的方法，利用激光轰击靶材表面产生的富能离子在衬底表面成膜，通过调整退火温度，调控V、Ga离子处于占位位置的比例，控制带隙红移范围，获得光吸收与太阳能光谱相匹配的氧化钛薄膜。[0007]具体技术方案如下：a)、将钒、镓按0.