臺灣博碩士論文加值系統

摘要
直接利用溶膠-凝膠法在IF鋼基材上旋塗TIP無法獲得二氧化鈦改質層。因此，本研究利用中介層（鐵原子擴散障礙層）一來阻止基材鐵原子大量擴散到外表層，二來固結�y燒後生成之TiO2改質層。中介層之製備採用乾溼兩種製程：(1) 乾式製程採用濺鍍Cr薄膜；(2) 濕式製程採用溶膠-凝膠法旋塗TEOS經�y燒後獲致Si-O薄膜。本研究除了觀察不同薄膜在熱氧化環境中阻擋Fe原子之擴散能力，分析不同鍍膜之表面形貌、結構及成分變化外，並且評估表面改質層之光催化特性之變化情況。乾式製程其銳鈦礦相膜厚可穩定控制於0.25μm，經400℃熱處理或表面再被覆異質薄膜也不會影響濺鍍Cr膜成分及膜厚之穩定性，不過卻也抑制了Fe2+ 或Fe3+摻雜入TiO2之機會。TiO2/Cr/Fe2O3疊層之UV-Vis譜線在378 nm處(3.28eV)呈一明顯之吸收邊緣。溼式製程經熱處理獲得Si-O之島狀殘留，阻擋基材鐵原子之擴散及氧化，而島狀殘留週遭未被覆足夠厚度Si-O部分，持續氧化並生成一厚實之Fe2O3，致使試片表面散佈直徑40∼150μm、深度550∼680 nm不等之坑洞，獲致TiO2/Si-O-Fe2O3複合疊層疊層鍍膜，其最佳條件下之吸收邊緣在378及578 nm附近(3.28及2.15eV)各有一吸收邊緣。

關鍵字：IF鋼、TiO2鍍膜、TiO2/Cr-O/Fe2O3疊層鍍膜、TiO2-Fe2O3複合鍍膜、TiO2/Si-O-Fe2O3複合疊層鍍膜、XRD、Raman、GDOS、UV-Vis、ESCA。

Abstract
Surface modified layer of TiO2 with anatase phase can’t be obtained from direct spin-coated TIP on IF (interstitial free) steel by using sol-gel techniques. Thus, this study used interlayers (Fe atoms diffusion barriers) not only to inhibit Fe atoms of the substrates from diffusing to out surface but also to fix surface modified layer of TiO2. Middle layers adopted two different ways: (1) Dry process adopted sputtered Cr thin films. (2) Wet process adopted spin-coated method with TOES gel to obtain Si-O thin films after calcined. This research observed the diffusion abilities of Fe atoms in heat environment, surface morphology, and local composition variations for various thin film systems; moreover, it estimated photocatalytic characteristics of surface modified layer. The film thickness of dry process can control steady in 0.25μm. 400℃ heat treatment or coating incoherent thin films did not influence the composition of Cr films and the stability of its thickness, but restrained Fe doping into TiO2. UV-Vis spectra in 378nm (3.28eV) had a distinct absorption edge. Wet process obtained an island-like distributed Si-O compound, and kept the substrate from oxidization. Nearby island that did not coat enough thickness of Si-O compound still oxidized and further resulted in the formation of Fe2O3. It cause the surface of substrate have distributed holes with diameter ranging from 40 to 150μm and depth from 550 to 680nm.


Keywords: IF steel, TiO2 coating, TiO2/Cr-O/Fe2O3 laminated coating, TiO2-Fe2O3 coating, TiO2/SiO2-Fe2O3 laminated coating, XRD, Raman, GDOS, UV-Vis, ESCA

目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract II
目錄 Ⅲ
表目錄 VI
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究目的 3
第二章 文獻回顧 6
2.1光觸媒之特性 6
2.1-1光觸媒的原理 6
2.1-2二氧化鈦 7
2.1-3二氧化鈦光觸媒之固定化 12
2.2溶膠-凝膠法 13
2.2-1溶膠-凝膠法之優點 14
2.2-2溶膠-凝膠法之基本原理 15
2.2-3溶膠-凝膠法之影響因素 18
2.3濺鍍（Sputtering） 22
2.3-1直流濺鍍(DC Sputter) 22
2.3-2射頻磁控濺鍍機(RF magnetron Sputter) 23
第三章 實驗方法與流程 25
3.1 實驗藥品 25
3.2樣品之製備流程與方法 25
3.2-1尋找最佳化製程(Fe-Si-O系統） 26
3.2-2第一部分製程(Fe-Si-O系統） 27
3.2-2-1溶膠-凝膠的製備 28
3.2-2-2薄膜的製備 28
3.2-3第二部分製程(Fe-Cr-O系統） 30
3.2-3-1溶膠-凝膠的製備 31
3.2-3-2薄膜的製備 31
3.3實驗分析 32
3.3-1 X-ray 繞射分析(XRD) 32
3.3-2拉曼(Raman)散射光譜分析 33
3.3-3掃描式電子顯微術(SEM)及能量散佈波譜術(EDS) 33
3.3-4輝光放電光譜術(glow discharge optical spectrometry; GDOS) 34
3.3-5紫外-可見光譜術(UV-Vis spectroscopy) 35
3.3-6化學分析電子光譜術(Energy Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA) 35
3.3-6-1 ESCA原理 35
3.3-6-2能譜分析 37
3.3-6-3能譜數據處理 39


第四章 結果與討論 42
4.1第一部分製程(Fe-Si-O系統） 42
4.1-1表面結構及表面形貌 42
4.1-2近表面層成分分析 51
4.1-3薄膜特性分析 67
4.1-4光催化降解 75
4.2第二部分製程(Fe-Cr-O系統） 77
4.2-1表面結構及表面形貌 77
4.2-2近表面層成分分析 85
4.2-3薄膜特性分析 89
4.2-4光催化降解 95

第五章 結論 97
5.1第一部分製程(Fe-Si-O系統） 97
5.2第二部分製程(Fe-Cr-O系統） 98
第六章 參考文獻





表目錄
表 2-1二氧化鈦的結晶構造及特徵 10
表 3-1 IF鋼出廠之成分分析(wt%) 25
表 3-2第一部分製程(Fe-Si-O系統)代號及製程參數 32
表 3-3第二部分製程(Fe-Cr-O系統)代號及製程參數 32
表 4-1試片C2外表層Fe2p3各特徵峰位置、面積及半高寬 61
表 4-2試片C2內層(etching time: 2000 sec.) Fe2p3各特徵峰位置、面積及半高寬 61
表 4-3試片C2外表層Ti2p3各特徵峰位置、面積及半高寬 62
表 4-4試片C2內層(etching time: 2000 sec.) Ti2p3各特徵峰位置、面積及半高寬 62
表 4-5試片C2外表層O1s各特徵峰位置、面積及半高寬 63
表 4-6試片C2內層(etching time: 2000 sec.) O1s各特徵峰位置、面積及半高寬 63
表 4-7試片C5外表層Fe2p3各特徵峰位置、面積及半高寬 64
表 4-8試片C5內層(etching time: 1005 sec.) Fe2p3各特徵峰位置、面積及半高寬 64
表 4-9試片C5外表層Ti2p3各特徵峰位置、面積及半高寬 65
表 4-10試片C5內層(etching time: 1005 sec.) Ti2p3各特徵峰位置、面積及半高寬 65
表 4-11試片C5外表層O1s各特徵峰位置、面積及半高寬 66

表 4-12試片C5內層(etching time: 1005 sec.) O1s各特徵峰位置、面積及半高寬 66
表 4-13 C1∼C5不同薄膜系統之吸收邊緣及能隙變化 67
表 4-14試片C5以不同照射UV時間亞甲基藍溶液光催化之吸收-濃度表 75
表 4-15 S1∼S6不同薄膜系統之吸收邊緣及能隙變化 89
表 4-16試片S6以不同照射UV時間亞甲基藍溶液光催化之吸收-濃度表 93














圖目錄
圖 2-1紫外線照射光觸媒表面使價電子脫離的示意圖 9
圖 2-2二氧化鈦相圖(ACS，1975) 10
圖 2-3溶膠凝膠變化圖 18
圖 2-4濺鍍的示意圖 22
圖 3-1尋找最佳條件之流程圖 26
圖 3-2第一部分製程(Fe-Si-O系統)實驗流程圖 27
圖 3-3第二部分製程(Fe-Cr-O系統)實驗流程圖 30
圖 3-4一般光電效應與搖昇效應比較示意圖 39
圖 4-1 C0∼C5不同薄膜系統之XRD圖譜 42
圖 4-2 C0∼C5薄膜系統之拉曼分析圖譜 43
圖 4-3 C0∼C5不同薄膜系統之SEM形貌及EDS成分分析 46-48
圖 4-4 C0∼C5薄膜系統GDOS分析曲線 53
圖 4-5-1試片C2 ESCA全譜圖 55
圖 4-5-2試片C5 ESCA全譜圖 55
圖 4-5-3試片C2各層之C1s之特徵峰 56
圖 4-5-4試片C2各層之Fe2p3之特徵 56
圖 4-5-5試片C2各層之O1s之特徵峰 57
圖 4-5-6試片C2各層之Ti2p3之特徵峰 57
圖 4-5-7試片C5各層之C1s之特徵峰 58
圖 4-5-8試片C5各層之Fe2p3之特徵 58
圖 4-5-9試片C5各層之Si2p3之特徵 59

圖 4-5-10試片C5各層之O1s之特徵峰 59
圖 4-5-11試片C5各層之Ti2p3之特徵峰 60
圖 4-5-12試片C2外表層及內層(etching time: 2000 sec.) Fe2p3之特徵峰 61
圖 4-5-13試片C2外表層及內層(etching time: 2000 sec.) Ti2p3之特徵峰 62
圖 4-5-14試片C2外表層及內層(etching time: 2000 sec.) O1s之特徵峰 63
圖 4-5-15試片C5外表層及內層(etching time: 1005 sec.) Fe2p3之特徵峰 64
圖 4-5-16試片C5外表層及內層(etching time: 1005 sec.) Ti2p3之特徵峰 65
圖 4-5-17試片C5外表層及內層(etching time: 1005 sec.) O1s之特徵峰 66
圖 4-6 C0∼C5薄膜系統之UV-Vis分析圖譜 68
圖 4-7-1為試片C0水接觸角量測（照射UV光前） 69
圖 4-7-2為試片C1兩次之水接觸角量測（照射UV光前） 69
圖 4-7-3為試片C2兩次之水接觸角量測（照射UV光前） 70
圖 4-7-4為試片C3兩次之水接觸角量測（照射UV光前） 70
圖 4-7-5為試片C4兩次之水接觸角量測（照射UV光前） 71
圖 4-7-6為試片C5兩次之水接觸角量測（照射UV光前） 71
圖 4-8-1為試片C0兩次之水接觸角量測（照射UV光後） 72
圖 4-8-2為試片C1兩次之水接觸角量測（照射UV光後） 72
圖 4-8-3為試片C2兩次之水接觸角量測（照射UV光後） 73
圖 4-8-4為試片C3兩次之水接觸角量測（照射UV光後） 73
圖 4-8-5為試片C4兩次之水接觸角量測（照射UV光後） 74
圖 4-8-6為試片C5水接觸角量測 74
圖 4-9檢量曲線 75
圖 4-10 S0∼S6不同薄膜系統之XRD圖譜 77
圖 4-11 S0∼S6薄膜系統之拉曼分析圖譜 78
圖 4-12 S0∼S6不同薄膜系統之SEM形貌及EDS成分分析 81-83
圖 4-13 S0∼S6薄膜系統GDOS分析曲線 87-88
圖 4-14 S0∼S6薄膜系統之UV-Vis分析圖譜 90
圖 4-15-1為試片S4兩次之水接觸角量測（照射UV光前） 91
圖 4-15-2為試片S6水接觸角量測（照射UV光前） 91
圖 4-15-3為試片S4兩次之水接觸角量測（照射UV光後） 92
圖 4-15-4為試片S6兩次之水接觸角量測（照射UV光後） 92
圖 4-16檢量曲線 93

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