氧化钛—碳纳米管复合薄膜的制备与特性研究

发布时间：2020-05-11 16:56

【摘要】：溶胶凝胶法制备二氧化钛(TiO_2)的结构与化学性能已经被广泛地研究于各个领域。近年,采用二氧化钛薄膜作为微测辐射热计的红外热敏材料的探索研究更加吸引了研究者们的目光,然而,其较低的光学吸收强度及较低的电导率限制了实际的应用。将其它具有优异性质的材料,如石墨烯、碳纳米管(CNT)等,与二氧化钛相复合,是一种有效提高二氧化钛光学吸收强度和电导率的方法。其中,TiO_2-CNT复合材料由于其优良的室温电阻与TCR,逐渐受到人们的关注,然而,TiO_2-CNT复合材料在红外探测热敏薄膜中的相关研究尚不充分。为此,本文通过将二氧化钛与多壁碳纳米管(MWCNT)相复合的方式,通过两种不同的涂膜技术,制备了TiO_2-MWCNT复合薄膜,并对其表面形貌、化学结构、光学、电学及辐射热性能进行了系统的研究。首先,本文通过溶胶凝胶法制备了单纯的TiO_2薄膜,并研究其退火温度对薄膜的形貌、结晶度及光电性能的影响。研究结果表明,过高(≥500 ~℃)与过低(≤300~℃)的退火温度均对TiO_2薄膜的光电性能有负面的影响。与之相比,400 ~℃退火的TiO_2薄膜具有适中的室温电阻(1.68×10~7Ω)、适中的光学吸收强度及优化的TCR值(-2.59%?K~(-1)),具有作为在测辐射热计的高质量热敏电阻材料的应用前景。其次,在优化了单纯二氧化钛薄膜退火工艺的基础上,本文采用溶胶凝胶法及混合旋涂的方式制备了TiO_2-MWCNT复合薄膜。结果表明,碳纳米管的加入显著地改变了TiO_2薄膜的物理与化学性质。这些性质的改变是由二氧化钛与碳纳米管之间的相互作用造成的,并且在碳纳米管浓度达到0.5 wt%时达到饱和。重要的是,加入碳纳米管,可以有效地调控TiO_2作为红外热敏电阻材料最关键的参数:光学吸收强度、室温电阻与TCR。最后,为了探究半导体二氧化钛中的渗透现象,本文采用溶胶凝胶法及旋涂-喷涂相结合的方式,制备了TiO_2-MWCNT复合薄膜,并成功地发现了复合薄膜的渗透现象。研究结果表明,通过向TiO_2薄膜中喷涂碳纳米管,可以有效地改变TiO_2-MWCNT复合薄膜的形貌、结晶度、化学结构以及光学、电学和辐射热性能。而且,碳纳米管的浓度是获取性能优异的TiO_2-MWCNT复合薄膜的关键参数。在碳纳米管的渗透阈值(0.25 wt%)及其附近,碳纳米管网络的电导率呈指数形式变化,在宏观上表现为复合材料室温电阻及TCR的突变,此时的复合薄膜具有适中的光学吸收强度(360~1000nm之间的平均透过率为67.52%)、适中的室温电阻(2.56×10~6Ω)、适中的1/f噪声(7.49×10~(-13) V~2Hz~(-1))、最大的TCR值(-2.93%?K~(-1))及最优异的辐射热参数(5.35×10~(12) K~(-1)m~(3/2))。这些优良的综合性能使本文所制备的TiO_2-MWCNT薄膜适用于非制冷红外探测器的热敏材料。重要的是,本文的成果还对于确认半导体中存在渗透现象提供了有力的支持。
【图文】：

示意图,热敏材料,烙铁,薄膜

x薄膜接近，，其红外探测系统显示图如图1-1所示。韩国的Reddy等人[17,18]通过控制衬底温度、退火氧通量、退火时间、掺杂过渡金属等方式，对磁控溅射法制备氧化钛薄膜进行了比较系统的研究，制备了 TCR 可达到 2.5%~ 3.6%，1/f 噪声为 10 12量级，热性能优异的氧化钛薄膜，但其研究仍处于实验室阶段。国内目前关于 TiOx在红外探测技术领域的研究也尚处于实验室基础研究阶段，产品生产更是属于空白，而且对 TiOx的主要研究集中在其制备工艺、结构、光催化性能等其它方面，在测辐射热计等红外器件的领域缺乏实质性的研究。近年

光电导,实验装置,单壁碳纳米管,红外探测

以 TiOx薄膜作为热敏材料而设计的非制冷红外探测器的烙铁成像示年，Itkis 和 Borondisc 等人[22]以单壁碳纳米管（SWCNT）薄感材料，研究了其对红外辐射的响应，实验装置如图 1-2 所，在超低温及真空的条件下，单壁碳纳米管薄膜可以吸收红系数较高。同时，计算得到单壁碳纳米管薄膜的 TCR 高达明，多壁碳纳米管（MWCNT）也具有较高的TCR系数（ 0.21米管可以作为红外探测热敏电阻材料。另外，Sood 明确指外吸收系数与较低的热质量，碳纳米管薄膜作为红外探测的潜力。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TB33

【参考文献】