專利名稱：金紅石疏水薄膜的強化直流磁控濺射制備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米二氧化鈦薄膜材料的制備方法，尤其涉及一種具有金紅石結構的二氧化鈦薄膜強化直流磁控濺射制備方法，本發明制備的薄膜可用于環境保護、工程及生物醫藥材料，屬材料工程技術領域。
二氧化鈦(TiO2)的表面在紫外光照射下可以具有良好的親水性能和分解有機物質的本領，這類材料在紫外線的照射下可產生游離電子和空穴，因而具有很強的光氧化還原功能，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物，能破壞細菌的細胞膜和固化病毒的蛋白質，具有極強的防污、殺菌和除臭功能。由于二氧化鈦的親水和分解有機物質的能力，使得二氧化鈦光催化材料的應用領域極為廣泛自清潔、防霧、殺菌、防污、除臭、空氣凈化、水的處理等。
二氧化鈦光催化材料有三種形態，液態、粉末顆粒態和薄膜態。可用化學和物理兩種方法制備。現有技術中，化學方法是目前制備二氧化鈦最為普遍的方法，1997年R.Wang，等在Nature Vo1.388,431(1997)上報道用化學的方法成功制備出具有較強催化作用的二氧化鈦薄膜,引起了廣泛的注意，但用化學方法制備的薄膜的壽命極為有限，另外化學方法制備的產品的性能和使用范圍也有很大的局限性，有些產品必須用物理的制備方法作為補充，以豐富二氧化鈦產品的性能和使用范圍。研究發現，二氧化鈦(TiO2)薄膜除了具有良好的光催化特性外，利用物理方法(磁控濺射)在一定工藝條件下制備的二氧化鈦(TiO2)薄膜，還具有非常好的疏水特性，而且這種特性并不會因為紫外光的照射而有所改變，這就極大地拓展了二氧化鈦(TiO2)薄膜的實際應用領域。目前用物理方法制備二氧化鈦光催化薄膜不是很普遍，物理方法多種多樣，其中以磁控濺射為目前通常采用的方法。但是，由于這一方法采用一般的反應濺射，對工藝要求很嚴格，如果工藝和技術處理稍有不當，所制備的材料就有明顯的缺陷，成分不可控制、附著力和致密性差、不耐摩擦，特別是所制備的二氧化鈦薄膜經摩擦后，其某些物理性能明顯降低甚至完全消失。另外，目前制備二氧化鈦薄膜的一般工藝，還存在氧化不完全，沉積速率低，濺射不穩定等問題。因此，必須改善其制備工藝和技術，以改善薄膜的質量，完善它的實際應用。
本發明的目的在于針對現有技術的上述不足，提供一種新的制備二氧化鈦金紅石疏水薄膜的工藝方法，以提高薄膜的質量，完善薄膜的性能，更適合實際需要，拓展它的應用范圍。
為實現這樣的目的，必須提高靶表面的等離子體的磁控程度，使得濺射原子的能量更集中，同時采用高電流密度、低工作氣壓及高氧分壓，以保證充分的電離和沉積薄膜的充分氧化，同時克服氧分壓較高時，靶表面的氧化所帶來的濺射不穩定，提高沉積率。另外，大的沉積率有助于減少薄膜中氣體分子的含量，如果氧分子被較好的激活或電離，并且工作氣壓較低的話，氧離子會進一步作用在沉積薄膜上(同時基板溫度適當的高)，形成高質量的氧化鈦薄膜。
本發明強化了直流磁控條件，采用高磁控鈦靶濺射，并結合高濺射電流密度、高基板溫度、低工作氣壓及高氧分壓條件制備二氧化鈦薄膜，具體技術方案如下采用鈦靶濺射，靶表面磁場強度為1000高斯，靶面至基板的距離為7cm，襯底基板可采用硅片、玻璃、陶瓷和金屬片等。制備時先烘烤真空室，待本底真空抽至1×10-3pa后，在濺射靶附近通入氬氣，保持氬氣壓約為1Pa，加高電壓電離氬氣產生輝光放電，調節氬氣壓至0.4Pa，濺射穩定后，在基板附近通入氧氣，以便在真空室形成壓強梯度，氧分子在這種條件下很容易被激活或者電離，工作氣壓仍維持在0.4Pa，分壓比O2∶Ar=1∶1。調節電壓，使得此時的濺射電流密度約為50mA/cm2，沉積率此時約為0.7nm/s，若基板溫度控制在360度附近，在這種條件下制備的二氧化鈦薄膜具有含少量銳鈦礦的金紅石多晶結構。實驗發現，濺射時的最佳工作氣壓為0.4Pa(O2∶Ar=1∶1)，掃描電鏡及相關對比實驗發現在這種條件下制備的二氧化鈦薄膜其表面情況最好(硬度、致密度、均勻性、附著力最佳)。薄膜厚度可根據需要以沉積時間確定，薄膜越厚，特性越突出，厚度應至少100nm。
通過X光衍射分析得到，所制備的二氧化鈦薄膜在基板溫度為360度時，容易形成含少量銳鈦礦的金紅石多晶結構，這種結構的薄膜具有良好的耐摩擦性和非常突出的疏水特性。
采用本發明方法制備的二氧化鈦薄膜(薄膜厚度范圍為100-2000nm)，有如下效果基板斜置時，水無法在基板上面停留，疏水效果非常明顯。另外在耐摩擦方面，普通方法制備的二氧化鈦薄膜摩擦后，其疏水特性明顯降低甚至完全消失，而用本發明方法制備的二氧化鈦薄膜在這方面有很大改善，摩擦、洗滌后其疏水特性未見降低，這和薄膜質量的提高有極大關系。另外，本發明制備的二氧化鈦薄膜的疏水特性，不會因為紫外光的照射而有所改變，而且不會生霉，這就極大地拓展了二氧化鈦薄膜的實際應用領域。
本發明增強了濺射靶表面等離子體的磁控程度，提高了沉積原子的能量和自由程，氧化更充分，濺射也非常穩定，薄膜的沉積速率和質量有很大提高，薄膜的物理性能也有大的改善，更適合實際需要。
本發明制備的薄膜可用于玻璃鏡片、陶瓷，幕墻玻璃和汽車后視鏡等材料的表面鍍膜，也可用于制備某些生物醫藥材料。
以下結合實施例對本發明的技術方案作進一步描述。
實施例在高電流密度、低工作氣壓條件下制備二氧化鈦疏水薄膜，采用鈦靶濺射，靶表面磁場強度為1000高斯，靶面至基板的距離為7cm，襯底采用硅片。制備時先烘烤真空室，待本底真空抽至1×10-3Pa后，在濺射靶附近通入1Pa氬氣，電壓加至500伏電離氬氣產生輝光放電，調節氬氣壓至0.4Pa，濺射穩定后，在基板附近通入氧氣，工作氣壓維持在0.4Pa(O2∶Ar=1∶1)，調節電壓，使濺射電流密度為50mA/cm2，基板溫度控制在360度，此時沉積率為0.7nm/s。
這種工藝條件下制備的二氧化鈦薄膜具有含少量銳鈦礦的金紅石多晶結構，具有良好的耐摩擦性和疏水特性，表面附著力非常好。
權利要求
1.一種金紅石疏水薄膜的強化直流磁控濺射制備方法，其特征在于強化直流濺射條件，采用高磁控鈦靶濺射，并結合高濺射電流密度、高基板溫度、低工作氣壓及高氧分壓條件，鈦靶表面磁場強度為1000高斯，靶面至基板的距離為7cm，制備時先烘烤真空室，本底真空至1×10-3pa后，在濺射靶附近通入氬氣，保持氬氣壓為1Pa，加高電壓電離氬氣產生輝光放電，調節氬氣壓至0.4Pa，濺射穩定后，在基板附近通入氧氣，工作氣壓維持在0.4Pa，分壓比O2∶Ar=1∶1，調節電壓，使濺射電流密度為50mA/cm2，基板溫度控制在360度，沉積率為0.7nm/s。
全文摘要
一種金紅石疏水薄膜的強化直流磁控濺射制備方法,其特征在于強化直流濺射條件,采用高磁控鈦靶濺射,并結合高濺射電流密度、高基板溫度、低工作氣壓及高氧分壓條件,以保證充分的電離和沉積薄膜的氧化,并使濺射穩定,提高沉積率。本發明制備的二氧化鈦薄膜為含少量銳鈦礦的金紅石多晶結構,具有良好的耐摩擦性和疏水特性,表面附著力非常好,可用于玻璃鏡片、陶瓷,幕墻玻璃和汽車后視鏡等材料的表面鍍膜,也可用于制備某些生物醫藥材料。
文檔編號C01G23/047GK1309190SQ0012781
公開日2001年8月22日 申請日期2000年12月7日 優先權日2000年12月7日
發明者王輝 申請人:杉杉集團有限公司, 王輝