【摘 要】
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由于二氧化钛（Ti O2）薄膜具有优良的化学稳定性、低成本、无毒、易回收等特点,使其广泛应用于有机污染物、抗菌、空气净化、染料敏化太阳能电池等领域的光降解。然而,纯Ti O2具有较宽的带隙和相当大的电子空穴复合率,这严重限制了它的光催化效率。而克服这一限制的一种方法是通过选择性掺杂来改变Ti O2的带隙宽度,尤其是碳掺杂。因为碳具有大的电子存储能力,它可以吸收光子激发的电子,以增强光生载流子的分离
【基金项目】
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海南省重点研发计划（ZDYF2019206）; 国家自然科学基金（51461015）
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由于二氧化钛（Ti O2）薄膜具有优良的化学稳定性、低成本、无毒、易回收等特点,使其广泛应用于有机污染物、抗菌、空气净化、染料敏化太阳能电池等领域的光降解。然而,纯Ti O2具有较宽的带隙和相当大的电子空穴复合率,这严重限制了它的光催化效率。而克服这一限制的一种方法是通过选择性掺杂来改变Ti O2的带隙宽度,尤其是碳掺杂。因为碳具有大的电子存储能力,它可以吸收光子激发的电子,以增强光生载流子的分离,并且C掺杂也可以增强Ti O2可见光吸收。本文首先采用直流磁控溅射法,以CO2为唯一C源和O源,通过改变直流溅射功率制备得到了不同成分结构的C掺杂Ti-O薄膜,并在空气中、600℃下退火1 h。XPS分析表明,随直流溅射功率的增加,薄膜内Ti4+含量减少、Ti3+、Ti2+含量增加;C取代晶格O位置形成Ti-C键掺杂和间隙C掺杂,退火后部分Ti-C键被破坏,形成元素C掺杂;C掺杂缩小了薄膜的带隙宽度;在退火过程中,低价钛诱导的氧空位的存在可以促进金红石相的形成,当薄膜内Ti4+含量小于45.4%时,氧空位缺陷导致了较高的薄膜结构松弛,薄膜内趋向于形成金红石相;当薄膜内Ti4+含量大于54.8%时,薄膜结构松弛松弛程度相对较低,C掺杂对金红石相形成的抑制作用增加,使薄膜内趋于形成锐钛矿相;然后,在CO2作为唯一碳源,120 W直流溅射功率下制备C掺杂Ti-O薄膜的工艺参数基础上,加入C靶材作为另一C源,C靶材采用射频溅射,退火处理后,得到了金红石和锐钛矿混合结构C掺杂Ti-O薄膜。XPS分析发现薄膜内除Ti-C键的掺杂形式外,出现了C取代晶格Ti位置的掺杂方式;C取代Ti位置造成了晶格严重的畸变,使薄膜的光催化性能变差。表面能分量计算发现,两种方法制备的C掺杂Ti-O薄膜的表面极性分量大于色散分量、酸性分量大于碱性分量,并且退火可以提高薄膜的纳米硬度。氙灯下（300W）光降解甲基橙溶液实验表明,相对于采用CO2和C靶材共同作为C源,单用CO2作为碳源制备的C掺杂Ti-O薄膜具有更高的光催化活性。
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