極低電位下鈦表面陽極氧化物薄膜的結晶及其機理研究

《極低電位下鈦表面陽極氧化物薄膜的結晶及其機理研究》是依託華南理工大學，由夏正斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：極低電位下鈦表面陽極氧化物薄膜的結晶及其機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：夏正斌
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

本研究以沉積在矽片上的純鈦膜為研究對象、以恆電位法為陽極氧化方式、用掃描隧道顯微鏡（STM）及其他先進的分析測試技術測定鈦陽極氧化物薄膜表面結構，研究陽極氧化條件對鈦陽極氧化物薄膜的形成和結晶過程的影響；探索在極低電位下鈦陽極氧化物的結晶過程，揭示控制鈦陽極氧化膜結晶的主要因素，為製備高結晶度（或高納米晶含量）的陽極氧化物薄膜提供可靠的數據和方法。採用原位分析技術，研究鈦陽極氧化最起始階段氧化物形成的特點和機制，研究納米晶顆粒的形成與增長過程，並分析氧化膜在多晶鈦表面外延生長的特點及規律，探究鈦表面陽極氧化物結晶的機理。通過這些研究，獲得對鈦表面陽極氧化薄膜的結晶過程和結晶機理的認識，為鈦陽極氧化物功能薄膜的研究和開發提供理論和技術上的指導，為鈦和其他金屬材料表面陽極氧化膜的形成、結晶和可控生長的知識框架提供實驗和理論的依據。

結題摘要

鈦表面陽極氧化膜的套用性能與其結構密切相關。相較於無定型結構的TiO2，結晶的TiO2具有更佳的套用性能。因此，如何認識及控制台陽極氧化物薄膜的形成及結晶就顯得尤為重要。本研究以高純鈦片及磁控濺射沉積在單晶矽片上的鈦薄膜樣品為工作電極, 鉑電極為對電極, 飽和Ag/AgCl電極為參比電極, 採用恆電位法、掃描電位法等模式對金屬鈦樣板進行了陽極氧化處理, 詳細研究了氧化電位、氧化時間、氧化方式、鈦基材等各種因素對鈦表面陽極氧化物薄膜的形成及結晶的影響, 並利用掃描電鏡-能譜儀（SEM-EDS）、原子力顯微鏡（AFM）、橢圓偏振光儀（SE）、拉曼光譜儀（Raman）和X-射線光電子能譜儀（XPS）等對所得到的鈦表面陽極氧化膜進行了表征。研究結果表明, 提高陽極氧化電位、延長氧化時間均有利於鈦的各種中間態氧化物向穩定性好的TiO2轉化, 有利於陽極氧化膜中銳鈦礦型TiO2納米晶的形成和生長, 最終致使氧化物薄膜由含少量納米晶的短程有序結構轉變成以銳鈦礦相為主體的長程有序結構. 研究結果表明, 溶液中鈦離子的積累對鈦氧化膜的形成與結晶有著不可忽視的影響，增加溶液中鈦離子的濃度有利於鈦氧化膜結晶的形成，有利於鈦氧化膜的脫水過程，並會促進大的結晶顆粒的形成。研究結果也表明，即使在低至1000 mV的電位下，所形成的陽極氧化鈦薄膜也是結晶的，而不是無定型的。升高氧化電位或者降低電位掃描速率都有利於鈦氧化膜的形成和結晶。我們認為，在極低的電位下，產生於氧化膜/金屬界面的內在壓應力（internal compressive stress）是導致鈦氧化物結晶形成的主要原因，而不是被一些研究者們所接受的焦耳熱（joule heating）。在上述研究的基礎上，我們可以將鈦氧化膜的生長和結晶分為兩個階段：即氧化膜的生長階段（film formation）和氧化膜的老化階段（film aging）。首先在氧化膜的生長階段，鈦氧化膜的膜厚及結晶度隨著氧化時間的延長而明顯增大，氧化膜的溶解速率也隨著氧化時間的延長而增大。當鈦的陽極氧化到達臨界陽極氧化時間（τ）時，可以認為鈦氧化膜的生長和結晶達到了一個動態的平衡狀態。繼續延長氧化時間，鈦的陽極氧化將進入一個氧化膜的老化階段，在這個階段，氧化膜的生長速率和溶解速率非常接近，氧化膜的結晶度的增長速率則明顯放緩。