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TiO2具有良好的化学稳定性、无毒性以及光诱导下的强氧化性等优点,在染料敏化太阳能电池、净化空气和水以及光解水生产氢气和氧气等方面表现出良好的应用前景。TiO2作为一种间接宽带隙半导体,它的锐钛矿晶型带隙为3.2 eV （388 nm）,金红石带隙为3.0 eV（414nm）。TiO2的光致发光效率很低,尽管纳米尺寸的TiO2溶胶可以发出309 nm的带隙荧光或发出由缺陷引起的从400 nm到600 nm的荧光,但是到目前为止还没有任何关于TiO2发强烈的肉眼可辨的荧光的报道。最近,随着多孔硅的强荧光效应的研究成功,人们开始研究如何通过带隙工程或缺陷工程来提高间接带隙半导体的发光效率问题。和硅元素一样,钛是地球上含量最多的元素之一。通过带隙工程或缺陷工程提高TiO2的光致发光效率可以大大地拓宽其应用范围,开拓一条实现钛基发光和钛基光电子集成的道路。等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）技术被广泛用于微电子或光电子工业的一步法制备薄膜材料。和传统的制备Ti02的化学湿法如溶胶-凝胶法,水热法,热蒸发法等不同,PECVD不需要专门的形貌控制剂、催化剂、模板,也不需要繁杂的步骤和冗长复杂的试剂、催化剂等后续处理。更重要的是,PECVD可以降低薄膜的沉积温度,可以在生长半导体薄膜的同时通过掺杂、粒子轰击或活性刻蚀等原位调控半导体的带隙。本文发展了一种新的Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子体（NE-APCVD）沉积技术用来沉积TiO2发光材料。我们在沉积TiO2的Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子体模拟与诊断,一步法快速制备氧空位浓度可调的具有强可见光效应的三维锐钛矿TiO2单晶薄膜方面取得了很大进步。通过对Ar/02/TiCl4常压非平衡等离子体模拟与诊断,我们研究了该沉积过程的物理化学反应和沉积TiO2的主要的反应。通过调节物理化学沉积过程的主要的参数,我们在石英基底上一步法制备了具有高浓度氧空位缺陷的三维锐钛矿TiO2单晶薄膜。这种新的三维结构的薄膜由具有大比例的{001}面的锐钛矿TiO2单晶片相互连接而成,室温下经325 nm的He-Cd线激光激发可以发出强烈的肉眼可辨的可见荧光,其荧光强度可以和商用的日光灯的内涂层的荧光粉的发光强度比较。该论文的主要研究内容包括以下四部分:第一部分:Ar/O2/TRCl4常压非平衡等离子体的模拟与诊断为了深入了解Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子体辅助化学气相沉积的主要的物理、化学过程,我们用global模型来模拟该体系的放电和反应过程。该模型包含197个主要的反应和26个主要的物种。根据模拟结果,这些主要的物种主要为TiCl3, TiO2Cl3, O, O2*, Cl,Cl2, ClO等。放电功率、总流量、氧气和TiCl4流量对Ti02薄膜的沉积具有重要影响。同时,我们对Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子体进行了电学和光谱学诊断,研究了其电流-电压曲线,发现放电电流和电压的曲线都为正弦曲线,且放电电流的相位领先放电电压的相位,说明该放电为常压介质阻挡容性耦合辉光放电。随着放电功率的增加,放电的电流、电压的峰值也随之增大。通过发射光谱测量,研究了 Ar/O2/TiCl4体系的常压非平衡等离子体的电子温度、离子温度（气体温度）以及自由基的种类等。其电子温度约为2.08 eV,离子温度（气体温度）平均为900 K左右,并含有数值模拟中的Ar、O、Cl等主要物种。等离子体数值模拟和诊断相辅相成,给常压非平衡等离子体辅助化学气相沉积单晶Ti02薄膜提供了非常有价值的指导。第二部分:Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子体辅助化学气相沉积三维锐钦TiO2单晶薄膜我们从等离子体放电功率、TiCl4单体流量、氩气流量等因素对制备TiO2的形貌、结晶、化学成分以及缺陷的影响的角度研究了Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子体辅助化学气相沉积制备Ti02薄膜的过程。发现在我们讨论的TiCl4单体含量范围内（一般为0.2 sccm～0.5 sccm）,等离子体放电功率和氩气流量对其结晶、形貌起到非常关键的影响。氩气流量大、功率低、TiCl4流量高时,主要为纳米颗粒膜;氩气流量低、功率高、TiCl4流量低时,可以石英基底上一步法获得形貌丰富、结晶可控、富含氧空位等缺陷的TiO2微纳米单晶片连接的三维结构的薄膜,为在低温、低能条件下制备三维微纳米片基结构薄膜奠定了实验基础。同时,我们还研究了 Ar/O2/TiCl4等离子体放电的粒子浓度和气体温度对制备三维锐钛矿TiO2单晶薄膜的影响。发现在粒子浓度高、气体温度高的Ar/O2/TiCl4等离子体辉光放电区域制备的三维锐钛矿TiO2单晶薄膜比后辉光区域的结构致密、单个晶体尺寸大,{001}晶面比例小。第三部分:Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子体辅助化学气相沉积三维锐钛矿TiO2单晶薄膜机理研究本章主要研究了 Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子体辅助化学气相沉积制备TiO2的机理。我们从基团的产生、输运、组装的角度,研究了等离子体化学气相沉积生长TiO2晶体的过程,研究了生长时间、能量、温度对TiO2晶体生长的影响。发现反应气体经过2 cm的反应区间（0.0054秒）已经能够生成多晶TiO2纳米颗粒,在沉积时间为1分钟时,沉积在石英基底上的Ti02颗粒已经有了非常好的结晶,沉积时间为10分钟时,TiO2晶体颗粒在石英基底上已经进行了一定程度的自组织和生长,初步形成了锐钛矿TiO2单晶的各个生长晶面。由于气相反应分解的高浓度高活性的Cl,锐钛矿TiO2单晶高能量的{001}晶面反应速度降低,{101}晶面快速生长,从而获得大比例{001}面的锐钛TiO2单晶片连接三维结构薄膜。由于等离子体内辉光区能量及温度较后辉光区高,以及Ti02表面的O的反应性脱除（ClO）,可以在沉积的过程中原位引入高浓度的氧空位,TiO2晶体的形貌规整性低于后辉光区,根据以上研究,我们提出了 Ar/O2/TiCl4常压非平衡等离子制备三维锐钛矿TiO2单晶薄膜的“自限域生长理论”的晶体生长模型。第四部分:三维锐钦矿TiO2单晶薄膜的发光性能研究最后,我们研究了三维锐钛矿TiO2单晶薄膜的发光性能。室温下,该法制备的三维锐钛矿TiO2单晶薄膜在325 nm线激光的激发下发出强烈的肉眼可辨的可见荧光,波长从350 nm到700 nm,几乎覆盖了整个可见光区域。不同条件下制备的Ti02晶体膜的荧光的强度、颜色不同,发出中心波长在450 nm & 570 nm、300nm & 600 nm的白色、蓝白色荧光,其强度接近商用日光灯内涂层荧光粉的荧光。同时我们还研究了三维锐钛矿TiO2单晶薄膜的阴极射线发光,以及TiO2单个晶体的不同晶面的阴极射线发光的情况。探讨了三维锐钛矿TiO2单晶薄膜的发光机理,发现带隙发光、表面自捕获激子发光和氧空位等缺陷发光是其主要的发光机制。由于晶体结构中原位引入了高浓度的氧空位缺陷,该三维锐钛矿TiO2单晶薄膜的光致发光发光强度和发光效率高。