Осаждение фотокаталитических плёнок оксида титана с помощью плазмы магнетронного разряда
|
Введение 13
Г лава 1. Применение и получение тонких плёнок оксида титана 15
1.1 Принцип действия фотокатализатора на основе оксида титана 15
1.2 Фотокаталитические плёнки TiO2 17
1.3 Химическое осаждение из паровой фазы 20
1.4 Магнетронная распылительная система 23
1.4.1 Работа МРС с реактивным газом 27
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики исследований 30
2.1 Экспериментальная установка 30
2.2 Ионный источник с замкнутым дрейфом электронов 32
2.3 Планарный магнетрон 33
2.4 Методика получения тонких плёнок 35
2.5 Измерение фотокаталитических свойств 36
2.6 Определение ширины запрещенной зоны 37
2.7 Измерение показателя преломления и толщины плёнки 38
2.8 Измерения коэффициента пропускания 40
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 43
4.1 Предпроектный анализ 43
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 43
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 44
4.1.3 SWOT-анализ 46
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 50
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 50
4.2.2 Разработка графика проведения научного исследования 51
4.3 Бюджет научного исследования 53
4.3.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты
4.3.2 Амортизационное начисление на специальное оборудование для
научных работ 55
4.3.3 Основная заработная плата 56
4.3.4 Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала 58
4.3.5 Отчисления на социальные нужды 59
4.3.6 Накладные расходы 59
4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 59
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 60
Глава 5. Социальная ответственность 65
5.1 Анализ вредных факторов производственной среды 66
5.2 Организационные мероприятия при работе на вакуумной установке и
ПЭВМ 67
5.2.1 Правила безопасной работы на вакуумной установке 67
5.2.2 Организация рабочего места оператора ПК 69
5.3 Условия безопасной работы 71
5.4 Электробезопасность 74
5.5 Пожарная и взрывная безопасность 75
Заключение 78
Список публикаций 81
Список используемой литературы 82
Г лава 1. Применение и получение тонких плёнок оксида титана 15
1.1 Принцип действия фотокатализатора на основе оксида титана 15
1.2 Фотокаталитические плёнки TiO2 17
1.3 Химическое осаждение из паровой фазы 20
1.4 Магнетронная распылительная система 23
1.4.1 Работа МРС с реактивным газом 27
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики исследований 30
2.1 Экспериментальная установка 30
2.2 Ионный источник с замкнутым дрейфом электронов 32
2.3 Планарный магнетрон 33
2.4 Методика получения тонких плёнок 35
2.5 Измерение фотокаталитических свойств 36
2.6 Определение ширины запрещенной зоны 37
2.7 Измерение показателя преломления и толщины плёнки 38
2.8 Измерения коэффициента пропускания 40
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 43
4.1 Предпроектный анализ 43
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 43
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 44
4.1.3 SWOT-анализ 46
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 50
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 50
4.2.2 Разработка графика проведения научного исследования 51
4.3 Бюджет научного исследования 53
4.3.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты
4.3.2 Амортизационное начисление на специальное оборудование для
научных работ 55
4.3.3 Основная заработная плата 56
4.3.4 Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала 58
4.3.5 Отчисления на социальные нужды 59
4.3.6 Накладные расходы 59
4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 59
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 60
Глава 5. Социальная ответственность 65
5.1 Анализ вредных факторов производственной среды 66
5.2 Организационные мероприятия при работе на вакуумной установке и
ПЭВМ 67
5.2.1 Правила безопасной работы на вакуумной установке 67
5.2.2 Организация рабочего места оператора ПК 69
5.3 Условия безопасной работы 71
5.4 Электробезопасность 74
5.5 Пожарная и взрывная безопасность 75
Заключение 78
Список публикаций 81
Список используемой литературы 82
РЕФЕРАТ
Выпускная квалификационная работа 98 страниц, 24 рисунков, 25 таблиц, 43 источников.
Ключевые слова: оксид титана, магнетронные распылительные системы (МРС), реактивное магнетронное распыление, фотокаталитическая активность, показатель преломления.
Объектом исследования являются плёнки оксида титана, полученные с помощью МРС.
Цель работы - исследование влияния режимов осаждения на фотокаталитические свойства тонкоплёночных покрытий на основе оксида титана.
В процессе работы проводились: экспериментальные исследования работы магнетронных распылительных систем в среде смеси газов (аргон, кислород), получение покрытий оксида титана, измерялись оптические и фотокаталитические характеристики плёнок.
Область применения данного покрытия: в оптике для нанесения на экраны мониторов, окна, зеркала; в медицине в качестве бактерицидных покрытий; в экологии для очистки воды и воздуха.
На сегодняшний день тонкоплёночные покрытия из оксида титана представляют повышенный интерес, который связан их с широким применением в оптике, медицине, экологии и т.д. [1]. Благодаря фотокаталитическим свойствам оксида титана, различные изделия с нанесённым на их поверхность покрытием приобретают функцию самоочищения. Например, керамическая плитка, оконное стекло и много другое дольше не загрязняются и, более того, проявляют бактерицидность, что особенно актуально для медицинских учреждений [2].
Одним из наиболее перспективных направлений применения плёнок оксида титана является создание тонкоплёночных фильтров для очистки воды и воздуха, принцип действия которых основан на фотокаталитическом эффекте, который способствует тому, что органическое загрязнение, находящееся на поверхности фотокатализатора, под действием света распадается на безопасные и легко удаляемые компоненты [3]. Так же покрытия из TiO2 перспективны для промышленного катализа, преобразователей солнечной энергии, ликвидации загрязнений водных объектов, химической промышленности [1].
Тем не менее, в настоящее время отсутствует общепринятый метод осаждения оксида титана, который позволяет получать прозрачные в видимом спектре света покрытия с высокой фотокаталитической активностью.
Методы получения фотокаталитических плёнок условно можно разделить на две группы - химические и физические.
Среди химических методов наибольшее распространение получило химическое газофазное осаждение (CVD - Chemical Vapor Deposition). Однако этому методу свойственны некоторые недостатки: сравнительно небольшая обрабатываемая площадь, высокая температура, химически агрессивная среда и
т.д., которые ограничивают их практическое применение [4].
Более важными для нас являются физические методы получения плёнок оксида титана. Метод физического осаждения из паровой фазы (PVD - Physical
Vapor Deposition), основан на распылении или испарении вещества мишени с последующим его осаждением на подложке. Но этим методом не всегда можно обеспечить хорошую равномерность плёнки по толщине на подложках большой площади [5].
В данный момент времени самым распространенным физическим методом получения покрытий оксида титана является магнетронное распыление.
Но, распыление титана в среде, содержащей кислород, приводит к ряду проблем, которые делают процесс осаждения нестабильным. Это приводит к существенному ухудшению качества получаемых плёнок [2]. Одним из таких негативных эффектов является гистерезис параметров магнетронного разряда. В зависимости от того, в какой точке на гистерезисной кривой работает магнетрон, во многом будут, зависят параметры покрытий оксида титана.
Однако, фазовый состав и, как следствие, фотокаталитические свойства тонких плёнок оксида титана сильно зависят от условий процесса осаждения.
Таких образом, цель работы состоит в исследование влияния режимов осаждения на фотокаталитические свойства тонкоплёночных покрытий на основе оксида титана.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить современные исследования в области получения тонкоплёночных фотокатализаторов на основе оксида титана;
2. Исследовать влияние различных параметров (источники питания, поток кислорода, давление в рабочей камере и т.д.) на работу МРС при распылении титана в присутствии кислорода;
3. Получить образцы покрытий оксида титана при различных режимах работы МРС;
4. Исследовать оптические и фотокаталитические свойства плёнок
TiO2.
Выпускная квалификационная работа 98 страниц, 24 рисунков, 25 таблиц, 43 источников.
Ключевые слова: оксид титана, магнетронные распылительные системы (МРС), реактивное магнетронное распыление, фотокаталитическая активность, показатель преломления.
Объектом исследования являются плёнки оксида титана, полученные с помощью МРС.
Цель работы - исследование влияния режимов осаждения на фотокаталитические свойства тонкоплёночных покрытий на основе оксида титана.
В процессе работы проводились: экспериментальные исследования работы магнетронных распылительных систем в среде смеси газов (аргон, кислород), получение покрытий оксида титана, измерялись оптические и фотокаталитические характеристики плёнок.
Область применения данного покрытия: в оптике для нанесения на экраны мониторов, окна, зеркала; в медицине в качестве бактерицидных покрытий; в экологии для очистки воды и воздуха.
На сегодняшний день тонкоплёночные покрытия из оксида титана представляют повышенный интерес, который связан их с широким применением в оптике, медицине, экологии и т.д. [1]. Благодаря фотокаталитическим свойствам оксида титана, различные изделия с нанесённым на их поверхность покрытием приобретают функцию самоочищения. Например, керамическая плитка, оконное стекло и много другое дольше не загрязняются и, более того, проявляют бактерицидность, что особенно актуально для медицинских учреждений [2].
Одним из наиболее перспективных направлений применения плёнок оксида титана является создание тонкоплёночных фильтров для очистки воды и воздуха, принцип действия которых основан на фотокаталитическом эффекте, который способствует тому, что органическое загрязнение, находящееся на поверхности фотокатализатора, под действием света распадается на безопасные и легко удаляемые компоненты [3]. Так же покрытия из TiO2 перспективны для промышленного катализа, преобразователей солнечной энергии, ликвидации загрязнений водных объектов, химической промышленности [1].
Тем не менее, в настоящее время отсутствует общепринятый метод осаждения оксида титана, который позволяет получать прозрачные в видимом спектре света покрытия с высокой фотокаталитической активностью.
Методы получения фотокаталитических плёнок условно можно разделить на две группы - химические и физические.
Среди химических методов наибольшее распространение получило химическое газофазное осаждение (CVD - Chemical Vapor Deposition). Однако этому методу свойственны некоторые недостатки: сравнительно небольшая обрабатываемая площадь, высокая температура, химически агрессивная среда и
т.д., которые ограничивают их практическое применение [4].
Более важными для нас являются физические методы получения плёнок оксида титана. Метод физического осаждения из паровой фазы (PVD - Physical
Vapor Deposition), основан на распылении или испарении вещества мишени с последующим его осаждением на подложке. Но этим методом не всегда можно обеспечить хорошую равномерность плёнки по толщине на подложках большой площади [5].
В данный момент времени самым распространенным физическим методом получения покрытий оксида титана является магнетронное распыление.
Но, распыление титана в среде, содержащей кислород, приводит к ряду проблем, которые делают процесс осаждения нестабильным. Это приводит к существенному ухудшению качества получаемых плёнок [2]. Одним из таких негативных эффектов является гистерезис параметров магнетронного разряда. В зависимости от того, в какой точке на гистерезисной кривой работает магнетрон, во многом будут, зависят параметры покрытий оксида титана.
Однако, фазовый состав и, как следствие, фотокаталитические свойства тонких плёнок оксида титана сильно зависят от условий процесса осаждения.
Таких образом, цель работы состоит в исследование влияния режимов осаждения на фотокаталитические свойства тонкоплёночных покрытий на основе оксида титана.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить современные исследования в области получения тонкоплёночных фотокатализаторов на основе оксида титана;
2. Исследовать влияние различных параметров (источники питания, поток кислорода, давление в рабочей камере и т.д.) на работу МРС при распылении титана в присутствии кислорода;
3. Получить образцы покрытий оксида титана при различных режимах работы МРС;
4. Исследовать оптические и фотокаталитические свойства плёнок
TiO2.
Для оценки фазового состава полученных плёнок, был проведён расчёт ширины запрещенной зоны (Eg). Из результатов можно сказать, что ширина запрещённой зоны зависит как от типа источника питания, так и от потока кислорода. Так образцы, имеющие ширину запрещенной зоны близкую к Eg = 3 эВ, вероятнее всего состоят преимущественно из фазы рутила, тогда как образцы с шириной запрещенной зоны более Eg = 3,2 эВ обладают преимущественно фазой анатаза или могут содержать их смесь. Однако данная методика не позволяет достоверно это определить.
Кроме того, характер изменения ширины запрещенной зоны от потока кислорода имеет различную зависимость для каждого источника питания. Для источника постоянного тока наблюдаем рост Eg, а потом спад при увеличении потока кислорода. На импульсном источнике наблюдается сначала спад, а потом рост Eg при увеличении Q(O2).
Измерения фотокаталитических свойств оксида титана проводились по двум методикам. Исследования по первой методике показали, что образцы, полученные на постоянном токе, обладают более высоким коэффициентом фотокаталитической активности по сравнению с плёнками, поученными на импульсном источнике питания.
Результаты по второй методике показали, что плёнки, полученные на импульсном источнике питания, проявили более высокую фотокаталитическую активность по сравнению с источником питания постоянного тока.
Зависимости фотокаталитической активности от времени облучения УФ светом для двух источников питания показали, что определение коэффициента фотокаталитической активности по второй методике, где измерялись коэффициенты пропускания водного раствора метилена синего, обладают более высокой фотокаталитической активностью, чем по первой методике, где измерялись коэффициенты пропускания плёнок с загрязнением.
Две эти методики являются актуальными, так как в зависимости от того в какой сфере будут применять фотокаталитические плёнки, будет завесить метод определения фотокаталитической активности. Например, первый метод
определения фотокаталитической активности, будет применяться для использования в качестве самоочищающихся покрытий на оконных стеклах, экраны мониторов и т.д. Второй же метод будет актуален для применения в тонкоплёночных фильтрах для отчистки воды.
Кроме того, характер изменения ширины запрещенной зоны от потока кислорода имеет различную зависимость для каждого источника питания. Для источника постоянного тока наблюдаем рост Eg, а потом спад при увеличении потока кислорода. На импульсном источнике наблюдается сначала спад, а потом рост Eg при увеличении Q(O2).
Измерения фотокаталитических свойств оксида титана проводились по двум методикам. Исследования по первой методике показали, что образцы, полученные на постоянном токе, обладают более высоким коэффициентом фотокаталитической активности по сравнению с плёнками, поученными на импульсном источнике питания.
Результаты по второй методике показали, что плёнки, полученные на импульсном источнике питания, проявили более высокую фотокаталитическую активность по сравнению с источником питания постоянного тока.
Зависимости фотокаталитической активности от времени облучения УФ светом для двух источников питания показали, что определение коэффициента фотокаталитической активности по второй методике, где измерялись коэффициенты пропускания водного раствора метилена синего, обладают более высокой фотокаталитической активностью, чем по первой методике, где измерялись коэффициенты пропускания плёнок с загрязнением.
Две эти методики являются актуальными, так как в зависимости от того в какой сфере будут применять фотокаталитические плёнки, будет завесить метод определения фотокаталитической активности. Например, первый метод
определения фотокаталитической активности, будет применяться для использования в качестве самоочищающихся покрытий на оконных стеклах, экраны мониторов и т.д. Второй же метод будет актуален для применения в тонкоплёночных фильтрах для отчистки воды.