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随着现代社会的高速发展,环境污染和腐蚀对社会经济和工业生产带来的损失和影响变得越来越严重。对于清洁可再生能源的开发、环境污染的治理和腐蚀防护技术的开发成为人类社会可持续发展的迫切需求。二氧化钛(Ti02)由于具有良好的化学稳定性、无毒无污染以及优良的光催化活性等特点被广泛应用于太阳能电池、表面抗菌、废水处理与有机染料降解等诸多领域。但是由于Ti02具有较大的带隙宽度,使得价电子跃迁到导带所需能量较高,导致太阳光下光催化活性不高。对Ti02进行改性,窄化Ti02的带隙宽度,减少催生光催化活性所需的激发能,从而提高Ti02光催化性能成为当下研究的一个热点。非金属元素掺杂就是改性方法的一种。本文采用单极脉冲直流磁控溅射法,分别以CO2和CO2+N2为反应气体,在Si片和碳钢表面制备C掺杂和C、N共掺杂的Ti-O(C:Ti-O和C+N:Ti-O)薄膜,研究工艺参数对薄膜成分、结构、力学性能、表面形貌、带隙宽度、表面能和光催化活性的影响规律,评价了薄膜的光催化性能和抗菌性。为获得较好的膜基结合强度,首先进行界面工艺探究。在薄膜和基体之间制备Ti金属过渡层,通过改变基体偏压和溅射时间获得不同的Ti金属界面过渡层,并在其上制备Ti-O薄膜。通过力学性能表征,获得优化的界面层工艺。研究发现,适当增加基体偏压和溅射时间对膜基结合强度都有提升作用,但增大溅射时间的效果更显著。此外Ti过渡层能有效提高薄膜的硬度,显著提高杨氏模量。通过调节溅射中反应气体CO2和N2的流量,制备了系列C:Ti-O和C+N:Ti-O薄膜。对C:Ti-0薄膜的AFM表征发现,CO2流量的增大导致Ti-O薄膜的表面形貌由岛状结构向柱状结构转变,表面积增加,有利于光催化活性的提高;XRD、GIXRD和拉曼光谱分析了薄膜的结构,结果表明C:Ti-O薄膜主要以金红石相为主,并存在一定量的非晶态TiO2。XPS分析确证C:Ti-O薄膜内部存在Ti-C键,表明C原子替代了部分O原子,C元素成功实现掺杂。通过紫外-可见分光光度计测得的透射光谱,根据作图法计算出薄膜带隙宽度,结果表明掺杂C元素能有效降低薄膜的带隙宽度;光催化降解甲基橙实验和抗菌实验表明,薄膜带隙较窄的情况下,结晶性越好其光催化活性越高、抗菌效果越好,抗菌性能和光催化活性密切相关,并确定了最佳的反应气体参数。AFM研究了 C+N:Ti-O薄膜的表面形貌,结果发现,随着N2流量的增大,薄膜沉积速率降低,薄膜呈现出明显的岛状生长趋势;XRD分析表明,C+N:Ti-O薄膜主要是大量的非晶态Ti02和Ti203相。经退火处理后,Ti02非晶衍射峰大幅减小并形成金红石相,Ti203消失,薄膜的结晶性提高;XPS分析证实了薄膜中存在Ti-C键和N-Ti-O,说明C、N原子成功进入了薄膜中取代了部分氧原子,实现了掺杂。相对于C元素掺杂,C和N共掺杂更能有效降低薄膜的带隙宽度,带隙宽度相对于未掺杂的3.21eV和C:Ti-O薄膜的3.08eV降低到2.72eV;光催化实验和抗菌实验表明,制备的C+N:Ti-O薄膜光催化活性和抗菌性能较低,经退火处理后,非晶态TiO2逐渐转变为金红石相,薄膜结晶性提高,光催化活性增强,抗菌率最高达81%。