掺杂氮后对TiO2薄膜的光学性质的影响材料科学与工程学院，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，分校，IL61801，USA收稿日期：2004年3月26日/接受：2004年10月19日网上公布：2004年11月25日©斯普林格出版社2004摘要含氮的二氧化钛薄膜与非金属元素掺杂对TiO2的光吸收范围扩大的潜力的影响进行了检查。玻璃和硅衬底上薄膜合成了纳米TiO2-xNx混离子束辅助沉积，获得很大的氮浓度。卢瑟福用散射光谱和X射线光电子能谱，对薄膜的成分进行了测定。通过X射线衍射，透射电子显微镜和原子力显微镜分析了薄膜的结构。对紫外-可见光谱和椭圆偏振薄膜的光学性能进行了测试。观察薄膜的带隙值下降的趋势特征，在一定掺杂浓度的范围内增加。随着氮浓度的增加，结构的演变更加明显。减少了带隙的N2p轨道与氮掺杂二氧化钛薄膜。1引言由本田和藤在1972年发现以来，钛白粉已被广泛的研究，将其作为光敏作用的光触媒[1]。由于其强大的照片氧化潜力，化学稳定性高，无毒，成本低，二氧化钛已经成为各种形式的应用，从除臭的环境应用，如纳米粉体，胶体，薄膜和涂料，净化空气和水[1-11]。然而，随着它的宽能隙（3.2-3.8eV），纯二氧化钛光催化效率非常低的户外活动，其中仅5％在紫外线范围内的太阳能是能够激活光催化反应的。以有效地使用太阳能，有必要扩展到可见光区域，在一个更高的比例（45％）的太阳能可用于光催化二氧化钛的吸收光谱。为了满足这一要求，早期的研究大多集中在合金与过渡金属[2，3]钛白粉上。最近，可见光光催化活性钛氧化物通过掺杂氮[4-9]，碳[10]，硫[11]，或氟[12]已获得。发现这些阴离子杂质的物种，要优于过渡金属掺杂，掺杂材料，光催化效率的稳定，缓解掺杂过程[7]。不同掺杂技术，带隙能量掺钛从2.32eV到3.45eV的报告的变化[10][14，16]。红成功转移到可见光的带隙，可以开展广泛的可见光下的光催化调查[15]。虽然对上述研究进行了了解，但氮掺杂纳米TiO2-xNx混细粉末和薄膜[4-9]的影响，目前尚不清楚，如果掺杂浓度光吸收对任何结构和性能上有一定的影响和作用。到今天为止，与氮掺杂二氧化钛已实现由溅射在N2反应气氛[4,9]，在高温退火商业二氧化钛几个小时氨气流量下的温度[4,6]，氧化锡粉的退火[13]，或使用溶胶-凝胶过程中含氮前兆[14]。报告的掺杂浓度范围已经很狭窄，通常X≤0.02（1。％）[6]。在最近期的出版物中，开发了增强的合成路线，导致掺杂浓度在8％（X〜0.24）二氧化钛纳米粒子[7]。除此之外，掺杂TiO2-xNx混有较高的氮对它的结构和性能的水平的影响尚未确定。该研究试图确定一个明确的关系可能之间存在浓度和光学柘吸收nitrogen-doped大型钛氧化物氮的浓度范围。这是集中的效果公司在氮的化学成分、结构、光学性质二氧化钛。准备xNx薄膜由ion-beam-assisted沉积(IBAD)技术。使用一种ion-beam过程对于这样一个资料有优势相对独立的工艺参数的控制。此外,提供了一个可行的方法的过程重氮掺杂(最高达到30%)。为氮浓度达到x=0.90(30%),具有很重要的意义在光学吸收边缘变化进行了观察以及大量的光学转变是很强的依赖性在nitrogen-dopant浓度。其带隙的这个二氧化钛。xNx薄膜被发现在减少柘集中注意力。2实验方法这ion-beam-assisted沉积(IBAD)系统应用于该研究由一个3-cm-diameterKaufman-type离子源、一个3-kW电子束蒸发器和基体里一个加热器的持有人钽,如图所示schematically在图1。一个quartz-crystal监控被用来控制薄膜的膜厚以及表面的沉积速率。这确认后沉积膜厚度是由卢瑟福背向散射谱。标准硅(100)的晶片andmicroscope载玻片作为底物在本研究为每个氮(两个样品吗内容)。他们是超声清洗丙酮先后与甲醇洗澡,吹干下的氮净化。在沉积底物打扫了1000-eVAr离子的5分钟除表面污染。Nitrogen-doped钛氧化物是由electronbeam沉积(四)蒸发钛的氧化物、anatase、99.9%(阿尔发Aesar、美国)。同时,日益增长的钛氧化物电影是氮离子轰击。在沉积,氮部分压力控制在稳定的价值亊10.5范围为5.0至3.0亊10.4托。工作压力化学镀锡的沉积速度进行调整和规范N联合组建。进行了沉积在一个基片温度400人。C,而这些被选中的前一次报告的基础上TiOxNy电影,往往有anatase结构上温度[14...