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研究生:蘇致榮
研究生(外文):Chih-jung Su
論文名稱:多元金屬電漿源離子植入過渡金屬於二氧化鈦薄膜之光學及光觸媒性質
論文名稱(外文):Optical properties and photo-catalysis efficiency improvement of TiO2 thin films implanted by transition metal
指導教授:謝耀南
指導教授(外文):Yau-nan Shie
學位類別:碩士
校院名稱:明道大學
系所名稱:材料暨系統工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:108
中文關鍵詞:二氧化鈦微波合成法金屬電漿離子植入技術光催化效
外文關鍵詞:TiO2microwave synthesisphotocatalytic
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摘要

本研究主之目的在於探討微波合成法合成之二氧化鈦的光催化效率以及光譜吸收能力。由於二氧化鈦與不同金屬氧化物之能階位置皆有相異,使得接合面之光激發之電子與電洞遷移而分佈於不同的氧化物。故本實驗藉由電漿離子植入技術,植入銀與鈷金屬離子進入二氧化鈦薄膜。經由分析過受,此光學薄膜具有氧化鈷、氧化銀與二氧化鈦等不同的結構,實驗結果發現在植入過渡金屬離子過後,比純二氧化鈦在波長400nm處吸收光譜效率高達百分之兩百。
經由微波合成的二氧化鈦溶膠經5500C燒結過後薄膜結構藉由XRD分析後得知為其銳鈦礦相,在經Scherrer equation估算後得知二氧化鈦平均粒徑為18.85nm,與SEM影像顯示粒徑尺寸差不多。而AFM來觀察薄膜表面粗造度0.593nm,經執過最高劑量(1E16)後薄膜粗造度提高約2.4nm,因此植入過程並不會對表面粗造度有嚴重的破壞;再藉由XPS做為化學鍵結態分析,結果得知植入過後的光學薄膜產生新的金屬氧化鍵結,分別為Co-O與Ag-O。
UV-Visible IR分光光譜儀測量光學薄膜在不同波長的吸收率與穿透率,經由電漿金屬離子植入過後其吸收率與穿透率在紫外光區及可見光區都有顯著的增加,並且在PL量測光學薄膜時,在波長420nm處TiO2/Co光學薄膜有一個激發訊號產生,此訊號推測為Co-O鍵結所導致,因此証實植入過渡金屬入二氧化鈦薄膜可以促使薄膜對光譜的吸收能力更強以及更寬廣。
Abstract

The main purpose of this study is to investigate the photocatalytic properties and photo-catalysis efficiency studies of nano titanium dioxide prepared by using microwave synthesis were studied. Metal plasma ion implantation has being successfully developed for improvement the optical properties of semiconductor materials. The nano-crystalline TiO2 particles was prepared by microwave process and deposited on glass substrates using of spin coating technique. The pure anstase TiO2 phase was obtained after a 540°C calcinations process in atmosphere. Subsequently, the TiO2 film was doped with transition metals such as Co and Ag by metal plasma ion implantation (MPII). The accelerating voltage of metal ions was set at 30 keV with implantation dosages of 1 x 1015-1 x 1016 (dose/cm2).
In this study, field emission scanning electron microscope, transmission electron microscope, atomic force microscopy and X-ray diffraction using Bragg-Brentano and glancing angle parallel beam geometries were used to characterize the microstructure of the ion-implanted. The composition and chemical bonding of ion-implanted TiO2 films were evaluated by X-ray photoelectron spectrometry (XPS). The optical absorption spectra of the ion-implanted films were measured using a UV-visible spectrophotometer. Optical characterization showed the shift in optical absorption wavelength at infrared ray side, which was correlated with the structure variation of the metal-ion implanted into the nanocrystalline TiO2.
總目錄

中文摘要 I
英文摘要 III
總目錄 V
圖目錄 V II
表目錄 X
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2
1-3 研究目的 4
第二章 文獻回顧 5
2-1 光觸媒材料 5
2-2 二氧化鈦基本性質 7
2-2-1 二氧化鈦晶體結構 7
2-2-2 二氧化鈦光觸媒效應 12
2-2-3 半導體光催化反應原理……………………………..14
2-2-3-1 半導體性質……………………………….14
2-3 影響光催化活性的因素 17
2-3-1 附載金屬的影響……………………………………..17
2-3-2 粒徑大小的影響……………………………………..18
2-3-3 結晶型態的影響……………………………………..19
2-3-4 表面修飾……………………………………………..20
2-4 奈米二氧化鈦備製方式 20
2-4-1 氯化法 (Chloride process) 20
2-4-2 溶膠-凝膠法(Sol-gel process) 21
2-4-2 水熱法 (Hydrothermal Method)……………………..22
2-4-4 微乳液法 (Microemulsion Method)…………………22
2-4-5 化學氣象合成法 (Chemical Vapor deposition)……..23
2-4-6 微波合成法 (Microwave synthesis)………………....24
2-5 金屬電漿離子植入技術 26
2-5-1 金屬電漿離子植入技術原理………………………..…….26
2-5-2 離子植入技術系統……………………………………27
2-5-3 金屬電漿源離子植入系統……………………………28
第三章 實驗方法 31
3-1 研究內容 31
3-2 實驗步驟 33
3-2-1 基材之清洗 33
3-2-2 二氧化鈦溶膠製備 34
3-2-3 二氧化鈦薄膜之披覆 36
3-2-4 溶膠的煆燒 37
3-2-5二氧化鈦薄膜之表面改質 38
3-3 分析儀器 39
3-3-1 X-ray 繞射法(XRD) 39
3-3-2化學分析電子能譜儀(ESCA) 41
3-3-3掃描式電子顯微鏡(SEM) 42
3-3-4 原子力顯微鏡(AFM) 42
3-3-5 光激發螢光光譜儀(PL) 43
3-3-6紫外-可見光光譜儀(UV-Vis Spectrophotometer) 44

第四章 結果與討論 46
4-1 奈米二氧化鈦光學薄膜化學成分分析 48
4-2 奈米二氧化鈦光學薄膜之XRD結構分析 59
4-2-1 晶粒大小之分析 62
4-3 奈米二氧化鈦光學薄膜表面分析 64
4-3-1 掃描式電子顯微鏡 (Scanning electron microscope
,SEM)分析……………………………………………64
4-3-2 原子力顯微鏡 (Atomic Force microscope,AFM)
分析…………………………………………………...68
4-4 奈米二氧化鈦光學薄膜光學分析 74
4-4-1 光激發螢光光譜儀 (Photoluminescence,PL)分析 74
4-4-2 UV-Vis spectroscopy (Transmission rate)分析 78
4-4-3 Optical Band gap 82
4-4-4 UV-Vis spectroscopy (Absorbable rate)分析 88
4-5 奈米二氧化鈦光學薄膜相變化分析 93
4-5-1 奈米二氧化鈦光學薄膜之XRD相變化分析 93
第五章 結論 96
未來工作………………………………………………………………..98
謝誌 99
參考文獻 101
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