氧化铋薄膜的制备及光催化性能研究.pdf

王留刚等氧化薄膜的制备及光催化性能研究
355
氧化铋薄膜的制备及光催化性能研究
王留刚,张俊英,李春芝,杨靖安
(北京航空航天大学物理科学与核能工程学院材料物理与化学研究中心,北京100191)
摘要:采用磁控溅射制备了氧化敏薄膜,研究了制直径60mm,厚度5mm,纯度99.999%),衬底选用石
备工艺对薄膜的结构、微观形貌和光学性能的影响,并英玻璃。在制备氧化薄膜之前要对衬底进行清洗
对样品进行了光催化性能评价。结果表明,氧氩比和首先在浓硫酸和双氧水(10:1)中加热煮沸,去除表面
退火温度显著影响溥膜的性能。当氧氩比为20:80污染物,然后将其放人丙酮溶液中超声处理,最后用去
时获得的薄膜具有最佳光催化性能;随退火温度升高,离子水冲洗干净,放在70℃的烘箱中烘干备用。磁控
薄膜结晶性增强,并逐渐出现Bi和Si的氧化物,经溅射的参数如表1。
500℃退火的薄膜具有最强的光催化活性。
表1磁控溅射参数
关键词:氧化铋;磁控溅射;氲比;热处理;光催化
Table 1 List of sputtering parameter
中图分类号:O612.5;048
文献标识码:A
溅射参数
文章编号:1001-9731(2011)02-0355-04
反应气体
引言
氩气流量(mL/min)
反应气体流量(mL/min)
氧化鉍因具有高的反射系数和介电常数,显著的
溅射气压(Pa)
光电性能以及容易光激发等特性深受关注,广泛应用
射功率(W)
于电子陶瓷材料、电解质材料、光电材料、高温超导材
粑基距(mm)
料、催化剂、核废物吸收材料、显像管荫罩涂层、无毒烟
溅射时间(s
15~300
花、固体氧化物燃料电池、氧气传感器、变阻器、电致变2.2样品表征
色等领域3。
使用D/max-2200pc型X射线衔射仪分析样品的
近年来,氧化作为一种新型光催化剂倍受关注,物相组成,扫描范围28为5~60°;采用 HITACHI
其常温下的禁带宽度为2.8eV,可被可见光激发。由.S4200型扫描电子显微镜表征样品的表面形貌,工作
于其广谱特性,氧化铋可以矿化多种有机物,在实际污电压为20kV;利用 HITACHI UV-3010紫外-可见分
水处理中具有重大意义[4?。
光光度计对样品进行光学透过性能的检测;分别使用
目前制备氧化的方法主要有:化学沉淀法间、固 Veeco Dektak6M台式轮廓仪(台阶仪)和辐照计FZ
相合成法η、声化学方法、溶胶-凝胶法り、化学水浴A对薄膜的厚度与照射到样品表面的光强进行测试
沉积の、水热法等。大部分研究人员把精力集中在2.3光催化活性评价
粉体制备上,而有关薄膜的制备则很少被报导。在实
光催化性能以氙灯照射下的罗丹明B(Rh.B)的
际应用过程中,需要考虑催化剂回收和重复利用问题,降解速率来表征。光源选用功率为300W的氙灯,照
薄膜在这方面具有其独特优势。磁控溅射相对于其它射到样品表面的可见光强为150mW/ecm2。以Rh,B
薄膜制备方法具有制备成本、温度低,薄膜的结合力、溶液在波长54nm处的吸光度来表征Rh.B溶液的浓
均匀性和致密性均较好等优点2。本文采用了直流度。将薄膜样品(30mm×15mm×1mm)放人装有
反应戏射的方式制备氧化鉍薄膜,通过改变溅射参数5mL的Rh.B溶液(10mg/L)的石英槽(35mm×
研究非晶氧化鉍的光学性能及光催化性能;然后对氧20mm×20mm)中进行催化反应,最后用紫外-可见分
化鉍薄膜进行热处理,研究其结枃和表面形貌变化及光光度计测试溶液在554nm处的吸光度。以原始溶
热处理温度对光催化性能的影响规律,获得氧化铋薄液作为参比样,计算催化降解效率,公式如下
膜最佳制备工艺参数。
100
%
2实验
式中,η为降解率;c。为降解前Rh.B溶液的吸光
2.1样品制备
度;c:为降解后的吸光度。通过剩余Rh.B的浓度评价
氧化铋薄膜采用PM500/FV磁控溅射系统制备
薄膜的光催化活性强弱
溅射方式为直流反应溅射。靶材选用金属鉍靶(靶材
基金项目:国家高技术研究发展计刘(863计刘)资助项目(2009AA032Z428)
收到初稿日期:2010-06-14
收到修改稿日期:2010-12-15
通讯作者:张俊英
作者简介:王留刚(1985~),男,山东菏泽人,在读硕士,师承张俊英研究员,从事半导体光催化材料的研究。
356
2011年第2期(42)卷
实验结果与讨论
着氧气量的增大,薄膜成分变成以氧化鉍为主,薄膜还
有可能存有少量的金属,起到了电荷分离作用,降低
溅射时间对氧化鉍薄膜的影响
光生电子空穴的复合。当氧氩比>30:70时,薄膜成
首先研究了氧化铋薄膜厚度随溅射时间的变化规分完全为氧化铋,没有多余金属分离光生电子,光催化
律。图1(a)是在溅射功率为50W、氧气分压为20%性能趋于稳定。
时,薄膜厚度随溅射时间的变化曲线。从图中可以得
100
m BI-O film
岀薄膜厚度与溅射时间基本上成线性关系。计算可得
氧化鉍薄膜的沉积速率约为120nm/min。图1(b)是
不同溅射时间所得薄膜的透过谱,从谱线可以看出,随
8
着薄膜的厚度增加,透过性能降低,吸收谱线整体红
G
移,而且有干涉峰的出现。
0884
700
(a)不同时间厚废值
800
o2):vo+Ar)(%)
图2不同氧氩比时制备的氧化铋薄膜的光催化性能
(光照时间1h)
?300
Fig 2 Photocatalytic degradation to Rh. B dye by the
samples prepared using different ratio of O
100
Ar(Irradiation time: 1h)
50
200250300
退火温度对氧化鉍膜的影响
时间/s
为了研究退火温度对样品光学性能的影响,我们
测试了薄膜退火前后的透过谱(图3)。直接通过反应
60
溅射获得的氧化铋薄膜为非晶态,存在很多缺陷,通过
退火处理可以改善薄膜晶体结构,消除缺陷。实验结
40
30s
果表明,200和300C退火的样品吸收谱发生了红移,
峣明样品的带隙随退火温度的升高而减小。当退火温
度超过300C时,薄膜的吸收谱线出现更多的干涉峰,
00300400500600.700800
Wavelength/nm
说明薄膜的厚度发生变化。我们推断这是由于衬底与
图1磁控溅射制备的氧化級薄膜的厚度(a)及其透薄膜反应所导致,推断与下文的XRD分析结果一致。
过谱(b)随溅射时间的变化曲线
退火温度超过700℃时,薄膜的透过谱发生突变,说明
Fig1 Ariation of the thickness(a) and the transmit-薄膜的组成发生了变化。
tance spectrum (b) of bismuth-film versus the
100
reactive sputtering time
80