原子层沉积氮掺杂二氧化钛薄膜之微结构能隙及光电流特性研究.PDFVIP

原子層沉積氮摻雜二氧化鈦薄膜之微結構、能隙及光電流特性研究 鄭錫恩1‡ 1 2 2 李孟融 李文仁 洪敏雄 1 南台科技大學光電工程系暨研究所 2 成功大學材料科學與工程系暨研究所 (NSC95-2221-E-218-019) 摘要 +-Si基材上成長氮摻雜二氧化鈦光觸 本研究利用原子層沉積技術 ，以四氯化鈦與氨水為反應前驅物，於 n 媒薄膜，藉由改變製程溫度（200~ 600℃）與氨水蒸發溫度（5,25℃）來探討不同製程溫度與氨氣/水氣飽和 蒸汽壓比例對薄膜性質之影響。以XRD分析薄膜之結晶結構、SEM觀察薄膜之表面顯微型態、XPS進行薄膜組成 成分與化學型態分析、恆電位儀搭配可調變波長之單光源進行薄膜之光電響應分析。實驗結果顯示製程溫度在 300o o o C 以上才有置換型 β-N 產生，氨水 5 C 的β-N 摻雜略高於氨水25 C 。製程溫度400℃、氨水蒸發溫度5 ℃之製程條件下所成長之氮摻雜二氧化鈦薄膜具有最佳可見光響應特性 ，其光響應截止波長由 387 nm延伸至 551nm，能隙由3.20 eV縮減為2.25 eV。 關鍵詞：原子層沉積、氮摻雜、二氧化鈦 、光觸媒 1. 前言 長氮摻雜 TiO + 2 薄膜於 n -Si （電阻率0.00 1 ~ 0.005 Ω-cm ）基板上，以四氯化鈦（純度 99.3%）與氨水 氫能源是一種高效、無污染的新能源 ，使用氫能 (NH :H O=29:7 1)做為反應前驅物，使用惰性氣體氬 3 2 源可解決地球二氧化碳排放過多 、環境污染等問 氣（Ar ，純度99.999% ）做為每次反應氣體脈衝（pulse ） 題 ，以太陽能取代石化能源則可解決地球石化能源逐 後清潔反應腔體及管路的淨化 （purge ）氣體。製程脈 漸枯竭的問題。製氫的方法很多 ，以煤 、石油和天 衝順序為TiCl4 ；vacuum ；Ar ；氨水 ；vacuum ；Ar ， 然氣等燃燒所產生的熱或所轉換成的電雖可 脈衝時間為1 ；1 ；1 ；1 ；2 ；1 （s ）。藉由改變氨水 用來分解水製氫，但顯然在還沒製氫之前就 與製程溫度（200℃～500℃）探討原子層沉積N 摻雜 先污染環境及消耗石化能源了。因此若能直接將 TiO2 薄膜之微結構、能隙及光電流特性。 太陽能源轉換成氫能源將是最佳的選擇。Anatase 相 分析方面，薄膜厚度與折射率由光源632.8 nm 的 TiO 光觸媒由於其能隙範圍 (energy gap, E ) 涵蓋了 2 g MARY-102 橢圓儀量測 ；薄膜的結晶型態以波長 「H+/H 」及「O /H O 」之氧化還原電位，藉由光激 λ=1.5418 Å 的 RIGAKU D/MAX 3.V X 光繞射儀 2 2 2 發的電子與電洞載子能量可直接分解水形成氫氣與 （XRD ）分析；薄膜表面型態以Hitachi S-4100 掃瞄 氧氣，但由於其能隙太高（Eg ≅ 3.2 eV ），只有紫外 式電子顯微鏡 （Scanning Electron Micr