掺杂二氧化钛纳米颗粒膜的制备及其可见光催化特性和机理研究(5)

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第二章脉冲激光成胰方法制各掺氮．ｎ０２纳米颗粒胰

第二章脉冲激光成膜方法制备掺氮Ｔｉ０２纳米颗粒膜２．１脉冲激光沉积（ＰＬＤ）的原理与特点

激光具有的高功率密度和超短脉冲等特性，在材料的处理过程中起到了重要作用．聚焦激光束足以蒸发各种难熔的材料，因此在过去的几十年中，无论从实验上还是理论上，激光与材料间的相互作用都引起了人们极大的关注。随着激光技术的飞速发展和研究领域的不断扩大，产生了许多新的实验方法和技术．其中高功率的激光与凝聚态物质的一个重要应用就是脉冲激光烧蚀（Ｐｕｌｓｅｄａｂｌａｆｉｏｎ，ＰＬＡ）和脉冲激光成膜（Ｐｕｌｓｅｄ

Ｌａｓｅｒｂｅａｍｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＬＤ）Ｉ¨。ｌａｓｅｒ

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图２．１激光烧蚀产生等离子体示意图

如图２．１所示，脉冲激光烧蚀（ＰＥＡ）是通过把脉冲激光束聚焦到材料表面后，较高峰值功率的激光在材料表面形成一个很小的局部高温区，在极短时间内使材料表面迅速熔化蒸发并形成羽状等离子体［２１．被称为‘＇ｐｌｕｍｅ＇’。等离子体具有较高的电离度，其中的离子和电子可达几千Ｋ的温度１３１。等离子体作为物质的第四态，其物性及规律与固态、液态，气态的各不相同。在形成的激光烧蚀等离子体中含有大量的电子、离子、原子、分子，团簇等物质，这些物质处于不同的能量状态，各种粒子间的相互作用非常复杂［４－６］。Ｐｌｕｍｅ的一个显著特点就是无论激光以什么样的方向入射，它的方向始终垂直于靶的表面。造成这些现象的原因是激光等离子体急剧膨胀时受到靶的反冲作用力．在激光烧蚀过程中，激光束是作用于靶表面的加热源。在激光照射过程中，靶吸收了激光而使自身的温度急剧上升。几乎同时，靶的上表面开始蒸发。这样，靶表面以下的温度比被蒸发的靶表面的温度要高。提供表面蒸发所需要的热能的深度等于热扩散的深度工一－－－（２Ｄｒ）１／２，其中Ｄ是热扩散系数，ｚ是脉冲宽度ｎ如果激光所能穿透的深度大于三，这个深度

第二章脉冲激光成膜方法制各掺氪竹ｑ纳米颗粒膜

的区域内都可以持续收到激光脉冲的加热。如果下表面所达到的温度高得能够使其蒸发，那么这层材料就会从靶上融化开在靶表面形成垂直的ｐｌ岫ｅ【ｓ】。

从概念和实验上来讲，ＰＬＤ是极其简单的技术，可能是所有薄膜生长技术中最简单的一种。ＰＬＤ是用物理方法来沉积薄膜的一种方法，通过激光束烧蚀靶材来合成所需要的薄膜材料。

与其他各种薄膜沉积技术相比，ＰＬＤ技术具有很多独特的优点［９－１２】：

１．激光作为独立的能量源，其产生和传输在成膜腔外，操作方便，并且几

乎所有的凝聚态材料都可以被脉冲激光烧蚀，因此原材料的选择余地大，

方法实用范围广；

２．烧蚀产物成分与靶材料几乎一致，使得生长的薄膜组分与靶材料可以基

本保持一致，比较容易控制膜层的组分；

３．ＰＬＤ技术容易控制实验的各个参数。只要通过调节激光的参数（如：波

长，频率，能量密度和脉宽）和其他的实验条件（如：反应系统内的气

压，基底加热的温度和靶与基板间的距离），就可以控制薄膜的厚度，表

面形貌和分布以及成膜的晶相；

４．作为膜物质的ＰＬＡ等离子体中的烧蚀产物具有较高的动能，因此在到

达衬底表面后具有一定的迁移率，有利于薄膜的沉积生长，同时有可能

降低对成膜温度的要求ｉ

５．反应性沉积（ｒｅａｃｔｉｖｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）是ＰＬＤ技术的～个独特而且非常重要

的特点．在ＰＬＤ过程中，可以通入各种不同的气体，而且气体的压强范

围很广。在本文的实验制备中，是在反应系统中分别通入０２，０２，Ｎ２和

ＯｇＮ—ＮＨ３混合气体进行反应沉积氧化物薄膜。

当然，ＰＬＤ也有一定的局限性和缺点，例如不能制各大面积的薄膜材料；烧蚀产物中有一些较大的颗粒，导致在沉积的薄膜具有一定程度的不均匀性；如果烧蚀产物中粒子的动能过高，对已经形成的薄膜的轰击可能会导致薄膜的缺陷等。

在ＰＬＤ系统中可调节的参数包括：靶材，激光能量密度，脉冲频率，脉冲宽度，靶和基板间的距离，基板温度和背景气压。这些参数将影响成膜的质量．

ＰＬＤ中所用的靶材在成膜过程中往往是旋转的以避免产生烧蚀坑而影响等离子体的产生和扩散．

激光脉冲的能量密度由激光束的单脉冲能量和在靶表面的聚焦程度所确定，它将决定烧蚀等离子体的温度、密度和扩张速率等参数。因此，光路的调整在整个沉积系统中就显得十分重要．

第二章脉冲激光成膜方法制各掺氮ｎ０２纳米颗粒膜

脉冲的频率决定了沉积的速率，实验中需要高沉积的速率但这往往同时又会造成成膜有很多结构的缺陷。如果激光脉冲的间隔时间等于或大于薄膜结晶的时间，就可以在一定程度上减少沉积薄膜的缺陷，薄膜的结晶度就会提高．

生长成一定结构（无定形，多晶或外延生长的）的薄膜所需的必要的能量来自于入射粒子的动能和基板的温度。粒子到达基板的动能由烧蚀等离子体的扩散速率、靶与基板间的距离和系统内的气压控制。基板的温度通过加热调节．这两者对于薄膜的结晶情况都有很重要的影响。

２．２ＰＬＤ制备掺氮Ｔｉ０２纳米颗粒膜

２．２．１制备方法

许多实验和很多不同的系统被用来制各掺氮ｎ０２材料，比如说，在氮气和氩气混合气体的条件下溅射Ｔｉ０２靶来成膜Ｉｌ”，在氧气和氮气混合气体下激光烧蚀ＴｉＮ或Ｔｉ０２靶成膜【１４】，在室温条件下直接氮化Ｔｉ０２纳米粒子制备粉末材料【１５ｌ等等．使用的基板有硅片，蓝宝石和玻璃等。Ｔｉ０２薄膜最具商业价值的应用就是生长在玻璃上应用于自清洁［１６，１７】，杀菌‘１ｔ１９ｌ和净化污水【１Ｓ－２０ｉ等。已经有很多文献报导使用各种技术如溶胶一凝胶【２ｌ，２２１，溅射【埔ｉ和脉冲激光沉积法［２３。２５１来制备生长在玻璃上的Ｔｉ０２薄膜．

在ＰＬＤ实验中，Ｔｉ０２或是ＴｉＮ经常被用作烧蚀的靶材用来制备纳米结构的Ｔｉ０２或是掺氮Ｔｉ０２，通过调节激光能量密度，脉冲频率，脉冲宽度，靶 …… 此处隐藏：1429字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……