采用射頻/直流磁控共濺射法制備不同Cu摻雜量的氧化鈦薄膜，研究了Cu摻雜對TiO2膜吸收邊紅移的影響，并探索其機理。發現當TiO2濺射功率為160W，Cu濺射功率為30W時，TiO2薄膜的吸收邊紅移最為明顯，至420nm左右。X射線衍射(XRD)結果表明:500℃下退火處理得到的薄膜主要為銳鈦礦相，但隨著Cu摻量的提高，薄膜XRD衍射峰明顯寬化，結晶性變差，將會在TiO2薄膜晶體中引入缺陷。X射線光電子譜結果表明:Cu以2+價存在，并摻雜進入TiO2晶格，引入受主雜質能級。結論認為Cu摻雜形成的缺陷能級和雜質能級是導致TiO2薄膜光吸收邊拓展至可見光區域的原因。

　　TiO2具有良好的光電性能、穩定的結構、原料豐富且無毒性，已被引起人們廣泛關注。TiO2的禁帶較寬(銳鈦礦3.2eV)，因此只有部分紫外波段的太陽光(λ<380nm)才能被吸收。如何降低TiO2的禁帶寬，從而使TiO2的光吸收邊紅移至可見光區域已成為當前研究的主要方向。現有多種方法，如染料敏化、金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜、半導體復合等對TiO2進行改性等。在摻雜的TiO2中，摻雜相與TiO2之間電子相互耦合，可以使TiO2納米復合材料的光催化性能得到很大提升。例如，Pt、Ag等貴金屬沉積在TiO2表面上，可以作為光生電子俘獲阱，阻礙光生電子和空穴的復合，有效延長電子在材料中存在的時間，而復合半導體中電子在粒子間轉移，有助于提高光催化效率。Cu是一種過渡金屬，Cu2+離子半徑與TiO2中的Ti4+離子半徑相近，摻入后其能帶邊緣被TiO2能帶包含，有利于捕獲TiO2激發出的光生電子，所以Cu摻雜TiO2改善其光響應范圍成為研究的焦點之一，但摻銅TiO2薄膜制備方法多為溶膠-凝膠法。而磁控濺射法制備TiO2薄膜具有成膜條件和厚度易于控制，均勻性和重復性好，適用于大規模生產等優點，所以本文采用了磁控濺射法制備Cu摻雜TiO2薄膜，析了Cu的摻雜量對TiO2薄膜吸光度，禁帶寬度的影響，探究Cu在TiO2薄膜中的形態特征。

1、實驗

　　1.1、薄膜材料制備

　　采用射頻/直流磁控濺射法在玻璃基底上濺射Cu摻雜TiO2薄膜，濺射條件:純度為99.99%銅靶和TiO2陶瓷靶，濺射氣體為高純氬氣(99.99%)。實驗襯底為普通玻璃(76mm×26mm)，襯底清洗依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲清洗各10min，然后吹干備用。濺射本底真空度為5.0×10^-3 Pa，濺射工作氣壓為1Pa，氬氣流量為40mL/min。濺射采用TiO2直流源與Cu射頻源共同濺射，直流源濺射功率穩定為160W，射頻源濺射功率分別為10，20，30W來控制Cu摻雜量。將得到的薄膜在管式爐中500℃下熱處理3h，隨爐冷卻至室溫，得到摻銅TiO2樣品。

　　1.2、薄膜表征及分析

　　紫外可見光譜儀(UV-1800PC)對TiO2薄膜繪制紫外和可見光區(UV-vis)的吸光度曲線，分析其光吸收限紅移情況。X射線衍射(XRD)儀(PHILIPSX'Pert)對濺射薄膜晶體結構進行分析，X射線光電子能譜(XPS)儀(AXISULTRA)對TiO2薄膜樣品表面元素組成及價態進行分析。

3、結論

　　采用直流射頻共濺射的方法，制備了Cu摻雜TiO2復合薄膜。紫外可見光譜中，隨著Cu摻雜功率的增加，當摻雜量為30W時，TiO2的光吸收限最高可紅移至420nm，根據計算得出為此時薄膜的禁帶寬度變為3.15eV。根據XRD圖譜和XPS能譜分析，Cu2+的增加使得XRD圖譜中銳鈦礦型TiO2特征衍射峰逐漸減弱，XPS電子能譜中說明Cu主要以二價形式存在，Ti為四價，Cu2+離子很好地分散在TiO2晶格中，在O1s的530.6eV處出現Ti-O-Cu特征峰。從而得出結論:Cu以二價離子形式進入晶體，形成空穴，并形成了Ti-O-Cu結構;隨著Cu含量的增多，TiO2之間的長大接觸被阻礙，使得TiO2晶粒度減小，缺陷增多。結果在禁帶中產生雜質或缺陷能級，這是導致TiO2薄膜光吸收限拓展至可見光區域的原因。