以二氧化鈦為基礎的薄膜(上)：材料世界網

陳郁文/中央大學化學工程與材料工程學系

簡介

二氧化鈦薄膜是常用的材料，因為本身具備令人關注的化學、電學和光學特性。二氧化鈦是一種高帶隙半導體，這種半導體有透明光性，具有相當好的光透射率。二氧化鈦具有相當高折射率和良好的絕緣性能，因此被廣泛應用於保護層，對於超大規模積體電路(VLSI)和用於製造光學元件有幫助。二氧化鈦也可使用於一些電子設備，例如：染料敏化電池、抗反射塗層、氣體感測器、電致變色顯示器和平面波導器。二氧化鈦的高介電常數，也常常作為替代二氧化矽中的存儲氣，和邏輯器件中被作為超薄氧化物電介質的替代物。

1972年，多相光觸媒透過藤島和本田兩位研究者藉由分解水在二氧化鈦上會形成氫氣和氧氣而開始發展。之後，對於光觸媒二氧化鈦有趣現象在學術界與工業界發展開來，並且積極地應用到自行清理表面、水、淨化空氣、防霧表面、抗腐蝕及抗細菌等方面。然而，大多數利用粉末二氧化鈦作為材料的研究中，都顯示出分散和鍍膜是一大難關。因此，對於製備二氧化鈦薄膜進行了大量的研究，例如：化學氣相沉積、噴塗法、溶膠-凝膠法等方法被廣泛研發。二氧化鈦具有自我清潔功能、防霧功能、抗菌功能，可做為防腐劑和抗反射的材料。有關二氧化鈦的應用相當廣泛，本文將就二氧化鈦薄膜的製備方法加以介紹。

二氧化鈦薄膜之製備

1. 前驅體的製備

前驅體的類型取決於製造方法。TiCl4和各種醇鈦用於化學氣相沉積和物理氣相沉積法上。二氧化鈦溶膠則用於噴塗、旋塗和浸塗上。對於製作二氧化鈦溶膠有許多方法。如何避免二氧化鈦奈米粒子的聚集是關鍵的問題。若基底可以承受高溫，則二氧化鈦在溶膠上可以為非結晶相。在基板塗佈後，可以使用高溫退火，使用高溫鍛燒讓無結晶相的二氧化鈦轉變成銳鈦礦相。若基底不能維持在高溫下的材料，例如：布料，二氧化鈦奈米粒子在溶膠形成銳鈦礦相。

二氧化鈦可以塗抹在基底上便於形成薄膜。許多方法已被用來製造二氧化鈦薄膜，像是化學氣相法、噴塗法、溶膠-凝膠法等。製造方法的種類繁多且取決於其應用與基底。若基底為玻璃，則二氧化鈦薄膜應該是透明的。若基底是纖維物質或聚合物質，則不可以高溫處理。若基底為陶瓷或不銹鋼，則可利用高溫處理和黏合處理。

具有多孔的二氧化鈦薄膜對於高光活性有相當大的幫助，因為它的表面積比緻密膜的大。若二氧化鈦溶膠是非結晶相，則它必須在高溫下加熱，以便從非結晶相轉換成銳鈦礦相。在經歷過高溫處理後，多孔薄膜要變成緻密膜可藉由溫度控制來達成。研究人員已經開發了許多製造二氧化鈦溶膠具有銳鈦礦相的方法。這些研究可知道二氧化鈦薄膜不需再藉由塗抹和高溫操作可以得到銳鈦礦相，因此對於製造多孔薄膜是相當簡單的。多孔薄膜的背景缺點主要有：①低機械強度、②低的黏膠強度在基底上、③更低的透明度。如何取得折衷的辦法使薄膜具有高表面積和足夠的機械強度是一種藝術。而這對於溶膠、製造技術和退火溫度的性質有相當大的關聯。所有塗佈方法具有優點也同時具有缺點。研究者應該選擇吻合實驗所需的應用方法嘗試。

圖一顯示出各種塗佈技術的應用範圍。化學氣相沉積只能應用於厚膜，其厚度為0.1 μm到200 μm之間。物理氣相沉積法被用來製造薄膜，其厚度介於0.01 μm到20 μm之間。藉由離子注入可以應用於比物理氣相沉積法更薄的薄膜上。在這份研究中，我們將會集中精力利用塗抹法減小薄膜厚度，來使薄膜厚度少於1 μm。

圖一、塗佈技術的應用範圍

2. 化學氣相沉積法( CVD )

CVD法已被廣泛應用於半導體工業，利用二氧化鈦來製造。Guo et al.文獻中以沉澱N混雜在玻璃上的二氧化鈦薄膜，通常藉由常壓化學氣相沉積(APCVD)法，詳見圖二。而基底通常是在顯微鏡載波片上觀察。TiCl₄、氧氣和N₂O被用來作為前驅物和氮氣被用來作為…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。