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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳政庭
研究生(外文):Cheng-Ting Wu
論文名稱:以DC雙極直流磁控濺鍍製備氮摻雜二氧化鈦薄膜之光觸媒特性之研究
論文名稱(外文):Study on photocatalytic properties of nitrogen-doped titanium dioxide thin films prepared by DC magnetron sputtering technique
指導教授:吳基榮吳基榮引用關係
指導教授(外文):Kee-Rong Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄海洋科技大學
系所名稱:輪機工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:二氧化鈦可見光光觸媒直流磁控濺鍍氮氣摻雜二氧化鈦
外文關鍵詞:TiO2visible-light photocatalystDC magnetron sputteringnitrogen-doped titanium dioxide
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摘要
本研究利用雙極直流磁控濺鍍系統製備二氧化鈦(TiO2)薄膜及氮摻雜之二氧化鈦(TiO2-XNX)薄膜。濺鍍靶材為99.99%的Ti靶,期望製備光吸收楔峰(absorption edge)能偏移到可見光範圍的TiO2-XNX薄膜。製成參數包括:氮氣流量、濺鍍電流。
以掃描式電子顯微鏡(SEM)及原子力電子顯微鏡(AFM)來觀察薄膜的表面型態及表面的粗糙度,以低椋角繞射(XRD)、拉曼(Raman)及X射線光電子能譜儀(XPS)來分析薄膜的組成結構,以紫外光-可見光(UV-Visible)分光光譜儀分析薄膜在不同波長下的吸收情形。在紫外光、LED藍光照射後,所造成光觸媒的性質來測試薄膜對亞甲基藍(Methylene Blue)的分解情形。
有摻雜氮氣之TiO2-XNX薄膜隨著氮氣流量的增加,其TiO2薄膜含氮量隨之增加,光吸收楔峰(absorption edge)有紅移的現象,光吸收波長從380nm偏移至550nm,在可見光照射下具有較TiO2薄膜更好的亞甲基藍的分解速率。在研究發現,在適當的氮氣流量下,在紫外光照射下少量的氮氣摻雜的TiO2-XNX薄膜比純TiO2薄膜在亞甲基藍的分解速率還要快,但是當氮氣流量持續增加時,光觸媒反應變差,推論有TiN的鍵結結構產生,使得TiO2光觸媒反應量相對減少,所以光觸媒反應差。
濺鍍之TiO2-XNX在可見光下具有光觸媒的效應,TiO2-XNX薄膜因通入氮氣容易出現Rutile結晶相,從拉曼顯示隨著氮氣流量增加,TiN的鍵結也變多了,XPS能譜圖顯示,TiO2-XNX薄膜隨著氮氣流量增加,氮氣植入的量就越多。
在低濺鍍電流下具有較佳的Anatase結構的TiO2-XNX薄膜,所以有較好的光觸媒反應,在濺鍍電流提高後,Anatase強度減弱,出現了Rutile的結晶相,使得光觸媒反應變差。
目 錄
Page
誌謝 I
摘要 II
Abstract IV
目錄 VI
圖目錄 X
表目錄 XIV

第一章 緒論
1.1 概述 1
1.2 研究動機與目標 4
1.3 光觸媒之紫外光來源與應用方式 5

第二章 理論基礎與實驗原理
2.1 光觸媒之歷史文獻 7
2.2 光觸媒催化反應 7
2.2.1 奈米半導體材料 8
2.2.2 半導體費米能階 10
2.3 二氧化鈦的改質 11
2.3.1 可見光光觸媒 11
2.4 濺鍍 12
2.4.1 電漿(Plasma)原理 12
2.4.2 濺鍍的原理 13
2.5 薄膜沈積 15
2.5.1 薄膜沈積機制 16
2.6 薄膜特性與製成參數之關係 18
2.6.1 膜與基材黏著強度 18
2.6.2 氧氣流量與基材溫度 19
2.7 亞甲基藍濃度量測原理 20

第三章 實驗方法與步驟
3.1 實驗規劃流程 22
3.2 濺鍍實驗 23
3.2.1 濺鍍設備介紹 23
3.2.2 實驗準備 24
3.3 薄膜分析方法 25
3.3.1 光譜分析 25
3.3.2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope ,
AFM) 27
3.3.3 場發射型掃瞄式電子顯微鏡(FE-SEM) 28
3.3.4 低掠角繞射XRD分析 30
3.3.5 親、疏水性測試 32
3.3.6 Raman(拉曼)光譜 36
3.3.7 X射線光電子能譜儀(X-ray Photoelectron
Spectroscope) 37
3.3.8 熱處理爐 38

第四章 實驗結果與實驗分析
4.1 氮氣流量的影響 39
4.1.1 低掠角繞射(XRD)分析 40
4.1.2 拉曼(Raman)分析 40
4.1.3 X射線光電子能譜儀(XPS)分析 41
4.1.4 X射線光電子能譜儀(XPS)縱深分析 43
4.1.5 紫外光-可見光(UV-Vis)光譜分析 44
4.1.6 場發射型掃瞄式電子顯微鏡(SEM)與原子力
顯微鏡(AFM)分析
45
4.1.7 甲基藍(Methylene Blue)降解分析 45
4.2 濺鍍電流的影響 64
4.2.1 低掠角繞射(XRD)分析 64
4.2.2 拉曼(Raman)分析 65
4.2.3 X射線光電子能譜儀(XPS)分析 66
4.2.4 紫外光-可見光(UV-Vis)光譜分析 67
4.2.5 場發射型掃瞄式電子顯微鏡(SEM)與原子力
顯微鏡(AFM)分析
67
4.2.6 甲基藍(Methylene Blue)降解分析 68
4.3 熱處理的影響 79

第五章 結論與未來工作
5.1 結論 82
5.2 未來工作 84

參考文獻 85
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