本发明专利技术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，该靶材是通过溶液反应先制得金属离子掺杂的二氧化钛粉体，再将其压制和烧结来制备，其制备过程工艺简单，易于实现一种或多种金属离子的均匀掺杂，离子的掺杂量能够精确控制，并在制备过程中金属离子能够进入二氧化钛晶格中，发生化学键合，所制得的靶材中二氧化钛的平均晶粒度为200纳米以下，靶材致密度高，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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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+、ft·4+和 Ce4+等)及其他金属(如 Si2+、Cu2+、iV+、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勻。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CN15M977A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勻分布。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。
技术实现思路
本专利技术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勻。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 O 10) (0.1 0.5) 的体积比混合，并在20°C 50°C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O)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，形成均勻、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°C 50°C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°C 120°C的温度下干燥12 M小时，形成黄色的干凝胶。(6)、将步骤( 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 O 幻的体积比混合制成的粘结剂混合搅拌均勻，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 ΙΟΟΚΝ/min的速率卸载，得到平整光滑的块状湿靶材。(7)、将步骤(6)得到的湿靶材放入烧结炉中，以2 10°C /min的升温速率至 300°C 1200°C，保温烧结2 12小时后随炉冷却至室温，即可获得均勻、致密、表面平整光滑的金属离子掺杂的二氧化钛靶材，所得的靶材中，二氧化钛平均晶粒尺寸为200纳米以下。本专利技术的二氧化钛靶材制备方法的进一步特征在于在步骤O)中与无水乙醇混合溶解的金属盐，是一种或多种稀土金属的盐；在步骤O)中与无水乙醇混合溶解的金属盐，是一种或多种除稀土金属以外的其他金属的盐；在步骤O)中与无水乙醇混合溶解的金属盐，是一种或多种稀土金属的盐与一种或多种除稀土金属以外的其他金属的盐的混合物；其中所述的稀土金属选自于铈和镧；其中所述的除稀土金属以外的其他金属选自于锌、铁和铜；步骤(7)中的保温烧结的温度为300°C -600°C，得到锐钛矿相二氧化钛靶材；步骤(7)中的保温烧结的温度为800°C，得到锐钛矿相和金红石相混合的二氧化钛靶材；步骤(7)中的保温烧结的温度为1200°C，得到金红石相的二氧化钛靶材。本专利技术的目的还在于提供一种由上述制备方法得到的二氧化钛靶材。本专利技术的优点在于靶材的制备过程工艺简单，由于是在液相反应中完成掺杂，通过对参与液相反应的原料的量进行精确的计量和控制，使得金属离子的掺杂量能够得到精确控制。并且，在上述制备过程的初始阶段，掺杂的金属离子能够与二氧化钛的前驱体在溶胶液体中达到分子级的接触，从而能够进行充分彻底的混合，使掺杂的金属离子在二氧化钛中的分布具有极高的均勻性，因而很容易实现一种或多种金属离子的均勻掺杂。同时，在二氧化钛的溶胶前驱液发生水解缩聚反应的过程中，掺杂的金属离子能够与二氧化钛发生化学反应，并在随后凝胶的热处理过程中，进入到二氧化钛晶格中，与二氧化钛发生化学键合，从而实现了真正意义上的分子级掺杂。而且，本专利技术所采用的溶胶反应过程，工艺步骤简单，工艺参数可控性高，所得的溶胶稳定性好，溶胶干燥后得到的粉末中二氧化钛晶粒度均勻，易于实现标准化的大规模生产。以上述经过精确的、分子级掺杂后的粉体再烧制靶材，也使得最终烧制得到的靶材中的掺杂量和预期控制的掺杂量保持高度一致，从而实现了靶材中金属离子的掺杂量精确可控。并且，在制得的二氧化钛靶材中，掺杂的金属离子分布均勻，二氧化钛的晶粒尺寸小于200nm，靶材为纯度较高的锐钛矿相或金红石相或两者的混合相，所以在后续采用磁控溅射技术制备金属离子掺杂二氧化钛纳米薄膜的过程中，能够提高薄膜的溅射速率、薄膜的致密度以及掺杂金属离子在薄膜中分布的均勻性。附图说明图1为S12+离子掺杂二氧化钛靶材的宏观表面形貌。图2为Si2+离子掺杂二氧化钛靶材的扫描电子显微图。图3为经400°C保温烧结后，Zn2+离子掺杂二氧化钛靶材的X射线衍射图谱。图4为经600°C保温烧结后，Fe3+离子和Cu2+离子混合掺杂二氧化钛靶材的X射线衍射图谱。图5为经800°C保温烧结后，Ce4+离子掺杂二氧化钛靶材的X射线衍射图谱。图6为经1200°C保温烧结后，Ce4+离子和La3+离子混合掺杂二氧化钛靶材的X射线衍射图谱。具体实施例方式实施例1 首先将钛酸正丁酯与无水乙醇和去离子水按体积比1 2 0.1的比例混合，在室温下以1000转/分的转速进行搅拌本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种金属离子掺杂二氧化钛靶材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（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按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。（７）、将步骤（６）得到的湿靶材放入烧结炉中，以２～１０℃／ｍｉｎ的升温速率至３００℃～１２００℃，保温烧结２～１２小时后随炉冷却至室温，即可获得均匀、致密、表面平整光滑的金属离子掺杂的二氧化钛靶材，所得的靶材中，二氧化钛平均晶粒尺寸为２００纳米以下。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：冀国俊，史志铭，金永军，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：15
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