题目：大气开放式MOCVD法制备二氧化钛薄膜及其碳掺杂改性研究

光催化氧化是近二十年来迅速发展并且得到广泛研究和应用的污染治理技术。TiO2作为最主要的光催化剂因其光催化活性高、无毒、稳定性好、氧化能力强、成本低等特点成为当前最具有应用潜力的半导体材料。然而TiO2光催化技术的实际应用还存在着量子效率低、电子空穴易复合、对太阳能的利用有限等技术难题。为了获得对气体或液体污染物具有高催化活性的TiO2光催化剂必须在制备过程中通过工艺参数的优化对TiO2进行改性，尽可能增加光生电子产生效率，减少电子和空穴的复合几率。非金属离子掺杂是目前制备可见光活性半导体光催化材料的开创性研究，其中碳掺杂氧化钛光催化薄膜材料是近几年新兴起的研究热点。氧化钛薄膜中掺入碳能显著增强薄膜对可见光的吸收能力，产生可见光催化活性。国内外报道的用以制备碳掺杂氧化钛薄膜的方法有钛金属加热法、溶胶凝胶法、沉淀法等，这些制备方法最大的缺点是薄膜与基片结合力差，容易剥落。本论文用自行设计安装的大气开放式MOCVD装置制备碳掺杂氧化钛薄膜，成功地解决这一问题，并且通过控制工艺参数制备出特殊形貌的氧化钛薄膜。使用大气开放式MOCVD法比传统MOCVD方法制备碳掺杂氧化钛薄膜在设备上的要求低，制备工艺条件简化，操作过程简单，生产成本降低。这显然有利于光催化薄膜的产业化生产，对光催化剂制备技术的推广具有重要的应用价值。论文系统地研究了用大气开放式MOCVD法制备氧化钛薄膜时，制备过程中的沉积温度、气化温度、载气流速、基片类型和基片与喷嘴间距等工艺条件对生成氧化钛薄膜的影响，并获得了制备碳掺杂氧化钛薄膜的条件。研究结果表明，沉积温度主要影响薄膜的物相。沉积温度在不超过300℃时，基片上沉积的是非晶态物质；沉积温度为300℃-450℃时，得到锐钛矿相薄膜；450℃以上薄膜也出现金红石相，且随着温度提高，金红石的含量也逐渐增加。气化温度对薄膜形貌的影响比较显著，当气化温度高于170 ℃时，薄膜由大量无序的长有小毛刺的核状小晶粒堆积而成。载气流速和喷嘴与基片台之间的距离主要影响制备薄膜的厚度。载气流速低于1.0L/min时，薄膜较厚，随着载气流速升高薄膜厚度减小，并且有剥落现象。随着基片与喷嘴距离的增加，薄膜的厚度增加。用大气开放式MOCVD方法制备的薄膜是按照层岛状生长模式生长，所以基片类型基本不影响薄膜的结构和形貌。论文详细探讨了各种工艺条件产生影响的机理。当反应室的湿度小于50%时，可制得黑色的碳掺杂氧化钛薄膜。通过XRD分析测试到碳掺杂氧化钛薄膜的物相与纯氧化钛薄膜一样都是锐钛矿相。AES检测表明薄膜的表面和内部均有碳、氧、钛三种元素，由各元素间的比例推测出薄膜内部存在大量氧空位。PL谱图进一步证明了薄膜中存在大量氧空位。通过XPS检测到表面碳元素大部分是污染碳；内部的碳元素与钛元素形成了Ti-C键，碳原子替代了氧原子在晶格中的位置。紫外可见漫反射光谱显示由于碳掺杂进入氧化钛晶格中导致薄膜吸收曲线吸收边红移，并且薄膜中大量的氧空位导致光吸收曲线在可见光区有强烈的吸收。研究了用大气开放式MOCVD法制备的纯氧化钛薄膜和碳掺杂氧化钛薄膜在紫外光和可见光下不同介质中的光催化活性。两种薄膜在紫外线照射下均具有较好的光催化活性。在可见光下纯氧化钛薄膜没有光催化活性，碳掺杂氧化钛薄膜在气相和液相中均具有较好的可见光光催化活性。研究了各种工艺条件制备的碳掺杂氧化钛薄膜的光学性能以及可见光下的光催化活性。沉积温度影响氧化钛的物相，温度越高金红石相的比例越大。锐钛矿的吸收边为380nm，金红石的吸收边为420nm，因此沉积温度越高吸收曲线红移越多。并且少量金红石的存在能提高薄膜的可见光催化活性。气化温度不影响吸收曲线的红移量，但随着气化温度的升高能产生更多的氧空位，薄膜比表面积也增大，并且可见光催化活性也提高。薄膜的厚度控制在3μm左右时具有最好的可见光催化活性。论文对用大气开放式MOCVD法制备的有大量氧空位的碳掺杂氧化钛薄膜开展了一些探索性的研究工作。通过改变工艺条件制备出不同碳掺杂量和氧空位含量的碳掺杂氧化钛薄膜，发现缩短沉积时间能减少碳掺杂量和氧空位含量，以及制备过程中用氧气做载气能减少氧空位的产生。在光催化实验中，随着碳掺杂量的增加，薄膜的可见光催化活性增强，掺杂碳对改性氧化钛薄膜的可见光催化反应起着决定性的作用，同时碳掺杂过程中产生的氧空位对可见光催化反应有促进作用，适当地增加氧空位，有利薄膜可见光催化活性提高。