[发明专利]一种金属离子掺杂二氧化钛靶材的制备方法以及由此获得的靶材

说明书

技术领域：

本发明涉及一种金属离子掺杂二氧化钛靶材的制备方法以及由此获得的靶材，这种靶材可以用于磁控溅射法制备金属离子掺杂的二氧化钛纳米薄膜。

背景技术：

二氧化钛的两种常见晶型结构中，锐钛矿相光催化活性高，金红石相紫外线吸收能力强。将它们制备成二氧化钛纳米薄膜后，由于其晶粒尺寸细化而具有纳米材料的小尺寸效应、量子效应及表面与界面效应等特殊的纳米效应，涂覆在玻璃、陶瓷等基体表面具有湿敏、气敏、光催化、超亲水、高折射率、高介电常数、化学性质稳定等性能，因而在传感器件、光电转换、环保自清洁等领域得到了广泛的应用。另外，在二氧化钛薄膜中掺杂稀土金属(如：La³⁺、Y³⁺、Eu³⁺、Nd³⁺、Pr⁴⁺和Ce⁴⁺等)及其他金属(如Zn²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Co³⁺、Pb⁴⁺、Sn⁴⁺和V⁵⁺等)离子后，能够改善二氧化钛纳米薄膜的晶体结构、改变其相变温度，影响二氧化钛的禁带宽度和电子-空穴对的复合，从而提高了二氧化钛纳米薄膜的物理化学活性。

在二氧化钛纳米薄膜的制备技术中，磁控溅射法具有成膜速率高、重复性好、基底材料不受限制(即在玻璃、陶瓷和金属等基底表面都可以制备二氧化钛薄膜)且薄膜与基底结合牢固等特点，是目前常被采用的二氧化钛纳米薄膜的制备技术之一。但是，用此方法制备金属离子掺杂的二氧化钛纳米薄膜时，通常是将纯金属钛和其他掺杂物金属作为两个或多个靶材，在氧气气氛中、一定加热温度下进行溅射的，例如CN1876229A中所公开的，这种方法溅射速率较低，反应过程不稳定，很难使金属Ti氧化完全，同时金属离子的掺杂量也很难准确控制，掺杂的金属离子分布不均匀。另外，也有将二氧化钛和掺杂金属的氧化物制成陶瓷靶材来制备二氧化钛纳米薄膜，例如CN1524977A中公开的，这种方法也使得金属离子的掺杂量难以精确控制，并且掺杂的金属离子很难在二氧化钛靶材及薄膜中均匀分布。因此，限制了磁控溅射技术在二氧化钛纳米薄膜制备中的广泛应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种金属离子掺杂的二氧化钛靶材的制备方法，根据这种方法制得的靶材中，二氧化钛平均晶粒尺寸为200nm以下，靶材致密度高，离子掺杂量准确控制，并且可以是一种金属离子掺杂或多种金属离子混合掺杂且离子分布均匀。

为达到上述目的，在制备金属离子掺杂二氧化钛纳米薄膜溅射用靶材的过程中，具体的步骤为：

(1)、首先将钛酸正丁酯与无水乙醇和去离子水按1∶(2～10)∶(0.1～0.5)的体积比混合，并在20℃～50℃的温度下以500～1000转/分的转速进行加热搅拌，使其充分水解并形成前驱溶液；

(2)、然后将要掺杂的稀土金属和/或除稀土金属外的其他金属的盐类与无水乙醇混合溶解，使金属盐的质量百分含量为10％～40％，将混合溶液加入步骤(1)搅拌的前驱液中，使掺杂的金属与钛的摩尔比为1∶(10～20)，形成离子掺杂的溶胶液体；

(3)、再将醋酸、草酸或柠檬酸中的至少一种作为抑制剂，和二乙醇胺、二甲基乙醇胺或甲基甲酰胺中的至少一种作为螯合剂，分别加入步骤(2)的溶胶液体中，使抑制剂、螯合剂和溶胶液按体积比1∶1∶(10～20)混合，形成均匀、透明的二氧化钛溶胶液体。

(4)、继续将步骤(3)得到的二氧化钛溶胶液体，在20℃～50℃的温度下以500～1000转/分的转速下搅拌2～12小时，然后于阴凉干燥处密封陈化12～48小时。

(5)、在陈化后的二氧化钛溶胶中加入去离子水至凝胶形成完全，将凝胶于60℃～120℃的温度下干燥12～24小时，形成黄色的干凝胶。

(6)、将步骤(5)得到的干凝胶进行机械研磨，然后将研磨后的二氧化钛粉体与由环氧树脂和无水乙醇按1∶(2～5)的体积比混合制成的粘结剂混合搅拌均匀，放入靶材模具中在一定的轴向压力下进行压块，具体加载方式为：以10～50KN/min的加载速率至50～200MPa下，保持10～30min，以50～100KN/min的速率卸载，得到平整光滑的块状湿靶材。