Thin film deposition of pure and doped TiO2 by RF magnetron sputtering for visible light photocatalytic and optoelectronic applications
Dépôt de couches minces de TiO2 par pulvérisation magnétron et stratégie de dopage à l'azote pour des applications photocatalytiques dans le visible
Résumé
Three different ways to dope nitrogen into TiO2 by means of RF reactive sputtering was compared, and the structural, optical, and photo-active performance of these materials were explored. First, multi-layered thin films of TiO2 and TiN were prepared by sputtering a titanium target and alternating oxygen and nitrogen reactive gases in the deposition chamber. The total thickness of each multi stack was kept constant while the overall composition of the films (TiN to TiO2 ratio) was varied between 5% and 30% and the number of TiN/TiO2 bi-layers was increased from 9 to 45. Secondly, we prepared N-TiO2 by introducing oxygen and nitrogen reactive gases simultaneously during the depositions. The ratio of oxygen to nitrogen was systematically changed in order to control the concentration of nitrogen incorporation into the films between 0% and 6%. Finally, we prepared TiN thin films and oxidized them at different temperatures and for several time intervals. X-ray photoelectron spectroscopy showed that nitrogen was successfully doped into all of the TiO2 films in substitutional and/or interstitial sites depending on the deposition conditions. The variance in the concentration and position of the nitrogen doping had a significant effect on the optical, structural and photoactive properties of the three types of N-TiO2 films. The parameters of sputtering deposition were optimized using both plasma diagnostics and Design of Experiments. This study has shown the desirable ability to control several important physical and chemical characteristics of N-TiO2 films, with considerable promise for many applications
Nous avons comparé trois méthodes différentes de dopage de TiO2 à l'azote par pulvérisation cathodique, et avons exploré les propriétés structurelles, optiques et la photo-activité de ces matériaux. Tout d'abord, des films minces successifs de TiO2 et TiN ont été créés par pulvérisation d'une cible de titane et en alternant les gaz réactifs d'oxygène et d'azote dans l'enceinte de dépôt. L'épaisseur totale de chaque multicouche a été maintenue constante tandis que nous avons fait varier la composition globale des films (rapport TiN/TiO2) entre 5% et 30% et le nombre de des couches TiN/TiO2 entre 9 à 45. Deuxièmement, nous avons préparé des couches homogènes de N-TiO2 par l'introduction simultanée des gaz réactifs d'oxygène et d'azote au cours du dépôt. Nous avons systématiquement fait varier le rapport azote/oxygène afin de modifier d'une façon contrôlée la concentration de l'azote incorporé dans les films de 0% et 6%. Enfin, nous avons préparé des couches minces de TiN et les ont fait subir l'oxydation à des températures différentes pendant plusieurs intervalles de temps. Les mesures d'XPS ont montré que l'azote a été dopé avec succès, dans tous les films de TiO2, dans les sites substitutionnels et/ou interstitiels en fonction des conditions de dépôt. La variance de la concentration et la position du dopage à l'azote avait une influence significative sur les propriétés optiques, structurelles et photo-actives des trois types des films de TiO2 dopés. Les paramètres de dépôt par pulvérisation ont été optimisés grâce à des diagnostics du plasma et à un Plan d'Expériences. Cette étude a montré que nous pouvons modifier d'une façon contrôlée et à souhait plusieurs caractéristiques physiques et chimiques importantes des couches de N-TiO2, qui pourront avoir un grand potentiel pour de nombreuses applications
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