[发明专利]一种羟基多元酸辅助电沉积制备二氧化钛薄膜及二氧化钛三维光子晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种羟基多元酸辅助电沉积制备二氧化钛薄膜及二氧化钛三维光子晶体的方法。

背景技术

二氧化钛材料是一种重要的氧化物陶瓷，也是一种非常重要的半导体材料和光学材料。由于其独特的光学、电学及化学性质，长期以来被广泛的应用在光催化、气体传感器、水和空气的净化、电致变色、太阳能电池等领域。

常见的二氧化钛薄膜的制备方法主要有溶胶凝胶法、化学气相沉积法、激光脉冲沉积法(PLD法)、阳极氧化法以及电沉积法等。众多的方法之中，电沉积方法以其沉积厚度可控、能在复杂的表面沉积出均一的薄膜、设备价格低廉等优点而广受关注。电沉积方法可以分为阳极沉积、阴极沉积和动电位沉积。阴极电沉积法最重要的应用之一是被用来制备过渡金属氧化物，如氢氧化钴(Co(OH)₂)、氧化锌(ZnO)、氢氧化镍(Ni(OH)₂)等。阴极电沉积法制备二氧化钛薄膜，常用的电沉积体系为四氯化钛(TiCl4)和过氧化氢(H₂O₂)或硫酸氧钛(TiOSO₄)、过氧化氢(H₂O₂)和硝酸钾(KNO₃)。这两种电沉积体系在配制溶液的过程中，PH的调节都非常的繁琐，且在沉积的过程中随着OH^-的消耗，溶液的PH也不能维持在一个稳定的数值，需要定期的调节pH。这主要是因为溶液中H₂O₂和Ti⁴⁺形成的螯合物并不十分稳定，调节pH到一定的值时才能使之稳定。此外，采用上述方法制备二氧化钛薄膜时，沉积的速率较小，若要获得厚度为微米级的薄膜需要沉积30分钟以上，使得采用电沉积方法制备二氧化钛薄膜的效率极低。

发明内容

本发明是要解决现有制备二氧化钛薄膜及三维光子晶体的方法存在调节pH过程繁琐且沉积速率小的问题，而提供一种羟基多元酸辅助电沉积制备二氧化钛薄膜及二氧化钛三维光子晶体的方法。

一种羟基多元酸辅助电沉积制备二氧化钛薄膜的方法是按以下步骤完成的：

一、将四价钛盐加入到去离子水中，在转速为1200～1400r/min的条件下进行磁力搅拌直至得到白色浊液；所述白色浊液中Ti⁴⁺的浓度为0.01～0.05mol/L；

二、在转速为1200～1400r/min的搅拌条件下向步骤一得到的白色浊液中先加入羟基多元酸再加入硝酸钾，持续搅拌直至得到无色透明溶液；

三、在转速为1200～1400r/min的搅拌条件下向步骤二得到的无色透明溶液中加入过氧化氢，当无色透明溶液由黄色透明直至变为红色透明后，得到红色透明溶液；

四、将步骤三得到的红色透明溶液置于冰水浴中20min～60min，然后在沉积温度为0～35℃、沉积电压为-2V～-1V和沉积时间为100s～2000s的条件下，采用三电极体系对步骤三得到的红色透明溶液进行电沉积，得到黑色致密且有金属光泽的薄膜；所述三电极体系的工作电极为ITO或镍片；

五、将步骤四得到的黑色致密且有金属光泽的薄膜在室温条件下自然晾干后，转移至马弗炉中焙烧，在温度为450℃～800℃的条件下保温1h～4h，得到白色均一的薄膜，即为二氧化钛薄膜；

步骤一中所述四价钛盐与步骤二中所述羟基多元酸的摩尔比为1:(0.5～5)；

步骤一中所述四价钛盐与步骤二中所述硝酸钾的摩尔比为1:(4～6)；

步骤一中所述四价钛盐与步骤三中所述过氧化氢的摩尔比为1:(0.75～5)。

一种羟基多元酸辅助电沉积制备二氧化钛三维光子晶体的方法是按以下步骤完成的：

一、将四价钛盐加入到去离子水中，在转速为1200～1400r/min的条件下进行磁力搅拌直至得到白色浊液；所述白色浊液中Ti⁴⁺的浓度为0.01～0.05mol/L；

二、在转速为1200～1400r/min的搅拌条件下向步骤一得到的白色浊液中先加入羟基多元酸再加入硝酸钾，持续搅拌直至得到无色透明溶液；

三、在转速为1200～1400r/min的搅拌条件下向步骤二得到的无色透明溶液中加入过氧化氢，当无色透明溶液由黄色透明直至变为红色透明后，得到红色透明溶液；