本發明屬于光催化材料技術領域，特別涉及一種自清潔用氮摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法。
技術背景
二氧化鈦薄膜是一種重要的半導體光催化材料，自從1972年Fujishima和Honda發現了TiO2半導體可在紫外光照下將水光解成H2和O2以來，半導體光催化研究因其在能源與環境等方面的應用而得到重視。由于TiO2無毒、活性高、耐腐蝕等特點而成為應用前景最好的光催化劑。常用在玻璃等基片表面，制備具有自清潔的產品。如可以用在建筑玻璃、幕墻玻璃、裝飾玻璃、汽車擋風玻璃、反光鏡、燈具燈罩玻璃、蓋板玻璃、、廚房玻璃、鏡片玻璃、家電玻璃、儀器儀表玻璃等物品表面。
但由于TiO2禁帶寬度較大，只能在紫外光下才能激發其光催化作用，為了提高對太陽光的有效利用，對TiO2進行摻雜以擴展其光響應范圍從而提高其光催化活性已成為目前TiO2光催化領域最具挑戰性的研究課題之一。近年來，對TiO2的摻雜研究分為金屬摻雜和非金屬摻雜。N摻雜由于其優異的性能，越來越得到人們的重視。2001年R.Asahi等報道了N摻雜的TiO2具有可見光響應，并發現氮替代少量的晶格氧可以使二氧化鈦的帶隙變窄，在不降低紫外光下活性的同時使二氧化鈦具有可見光活性。
目前N摻雜TiO2薄膜的制備方法主要有濺射法、脈沖激光沉積法、溶膠-凝膠法等。然而目前大多數的制備方法都存在比表面積小、催化效果差等缺點。
技術實現要素：
本發明的目的就是提供一種用于自清潔的氮摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，該方法制備的薄膜性能優異，大大提高了光催化的效率。
為了達到上述目的，本發明采用了如下技術方案：
一種自清潔用氮摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，包括如下步驟：
（1）清洗玻璃基片，后用高壓N2吹干；
（2）采用反應離子束技術對所述玻璃基片表面進行刻蝕，使所述玻璃基片表面具有凹凸不平的微結構；
（3）采用磁控濺射技術在所述玻璃基片表面的微結構上沉積氮摻雜二氧化鈦薄膜。
本發明技術方案中，所述步驟（1）清洗玻璃基片，包括先用丙酮超聲20min，再用酒精超聲20min，最后用去離子水超聲20min；
所述步驟（2）中的刻蝕氣體為Ar和三氟甲烷（CHF3）的混合氣體，其流量比為1：1.5～3；
所述步驟（2）采用的反應離子束刻蝕設備，本底真空≤6×10-3Pa；工作壓強為4～8×10-1 Pa；離子束流能量為350～450eV；束流為60～80mA；加速電壓200～300V；入射角為20～40°；刻蝕時間5～8min；
所述步驟（3）中磁控濺射鍍氮摻雜二氧化鈦薄膜中，本底真空≤6×10-4Pa；工作壓強4～8×10-1Pa；射頻濺射功率150～200W；靶材為TiO2陶瓷靶；濺射工藝氣體Ar流量20～30sccm；反應氣體N2流量4～8sccm；膜層厚度400～600nm。
本發明開發了一種新的用于自清潔的氮摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，先采用反應離子束技術，對玻璃基片表面進行刻蝕處理，獲得微結構的玻璃基片，然后在玻璃基片上以磁控濺射技術沉積氮摻雜二氧化鈦薄膜，從而得到具有更大比表面積、更廣光催化反應波長范圍的薄膜，提高了光催化的效率。
以下通過示例說明本發明主旨的描述，以清楚本發明的其他方面和優點。
本發明以反應離子鍍刻蝕得到的微結構為基底，通過磁控濺射法在其表面制備N摻雜TiO2薄膜。這種方法有利于克服薄膜比表面積小，光催化性能差的缺點。得到的N摻雜TiO2薄膜與基底連接性能好，光催化效果好，可利用的波長范圍廣。同時，微結構具有抗反射性能，在使用時可以提高薄膜對太陽光的利用率，提高光催化性能。
具體實施方式
實施例一
（1）玻璃基片表面的清洗：選用厚度為1.1mm的玻璃基片放入超聲波清洗機內，先用丙酮超聲20min，再用酒精超聲20min，最后用去離子水超聲20min，用高壓N2吹干。
（2）將清洗好的玻璃基片放置于離子束設備中，刻蝕氣體為Ar和CHF3的混合氣體，其流量比為1：1.7，基本參數如下：
本底真空≤6×10-3Pa；
工作壓強：5×10-1Pa；
離子束流能量：400eV；
束流：70mA；
加速電壓：240V；
入射角：25°；
刻蝕時間：5min。
（3）取出玻璃基片，放入磁控濺射設備中沉積氮摻雜二氧化鈦薄膜，制備工藝參數如下：
靶材：TiO2陶瓷靶（純度：99.99%）
本底真空≤6×10-4 Pa；
工作壓強：5×10-1 Pa；
射頻濺射功率：150W；
濺射工藝氣體Ar流量： 30sccm；
反應氣體N2流量：6sccm；
沉積厚度：400nm。
實施例二
（1）玻璃基片表面的清洗：選用厚度為0.7mm的玻璃基片放入超聲波清洗機內，先用丙酮超聲20min，再用酒精超聲20min，最后用去離子水超聲20min，用高壓N2吹干。
（2）將清洗好的玻璃基片放置于離子束設備中，刻蝕氣體為Ar和CHF3的混合氣體，其流量比為1：2，基本參數如下：
本底真空≤6×10-3Pa；
工作壓強：6×10-1Pa；
離子束流能量：350eV；
束流：80mA；
加速電壓：260V；
入射角：35°；
刻蝕時間：6min。
（3）取出玻璃基片，放入磁控濺射設備中沉積氮摻雜二氧化鈦薄膜，制備工藝參數如下：
靶材：TiO2陶瓷靶（純度：99.99%）
本底真空≤6×10-4 Pa；
工作壓強：6×10-1 Pa；
濺射功率：175W；
濺射工藝氣體Ar流量： 25sccm；
反應氣體N2流量：6sccm；
沉積厚度：500nm。
本發明與現有技術相比具有如下優勢，
（1）由于對玻璃基底表面進行了反應離子束刻蝕，使玻璃基底表面產生了凹凸不平的微結構，然后在玻璃基底表面鍍制氮摻雜二氧化鈦薄膜，薄膜的表面也存在凹凸不平的微結構，這樣就增大薄膜的比表面積，大大提高了薄膜光催化的效率。
（2）玻璃基底表面存在凹凸不平的微結構，增加了膜層與基底之間的附著力，增加了薄膜的使用壽命。
（3）凹凸不平的玻璃基底表面和薄膜表面存在抗反射作用，提高了太陽光的利用率，進而提高了光催化效率。
（4）氮的摻雜，使薄膜光催化響應區間得到了拓寬，使其在可見光范圍內也能進行光催化反應，大大提高了光催化的效率。