[論文レビュー] Fabrication of nano-structured Titania - Thin-Films on Carbon-coated Nickel sheets

Wilfried Wunderlich, Nguyễn Thị Huệ+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2004

TiO2 Photocatalysis and Solar Cells参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、チタニウムテトラキス(2-エチルヘキサノエート)（TTIP）、ジエタノールアミン（DEA）、エタノールを前駆体として用いた溶媒法ドレープコーティング法により、カーボン被覆ニッケル基板上にナノ構造を有するジルコニア薄膜を製造することを示した。得られた薄膜はナノスケールの多孔質な微細構造を示し、バンドギャップを低下させ、導電性でカーボン修飾されたニッケル基板上で潜在的な光触媒応用のための光応答性を向上させる。

ABSTRACT

This research for Eco-materials focuses on the improvement of photo response of titania thin films. The goal of this research is to find a suitable substrate for decreasing the band-gap of titania, to improve the microstructure and to seek for new processing techniques in nano-meter scale. The sol-gel technique using titanium-tetra-iso-propoxide (TTIP), di-ethanol-amine (DEA) and ethanol was applied by using the dip-coating method. The substrate is a nickel-sheet covered with amorphous carbon-layers or carbon-nano-tubes (CNT), both produced with plasma- enhanced chemical vapor deposition (PECVD) by varying the temperature and the gas molecule velocity. The microstructure of these titania thin films show nanometer-structured pores, which are supposed to decrease the band gap according to the literature. Possible applications for photo catalytic devices will be discussed.

研究の動機と目的

• チタニウムのバンドギャップを低減させ、光応答性を向上させるための新規な基板システムの開発。
• ナノスケールでのチタニウム酸化物薄膜の微細構造を最適化し、光触媒効率を向上させること。
• プラズマ増強化学気相蒸着法（PECVD）を用いて、アモルファスカーボンおよびカーボンナノチューブを含むカーボン被覆ニッケル基板の利用を検討し、薄膜の密着性および電子的性質を向上させること。
• ナノメートルスケールでの新規プロセッシング技術として、溶媒法およびドレープコーティング法の応用を検討すること。
• これらの薄膜が次世代光触媒デバイスにおける応用可能性を評価すること。

提案手法

• チタニウムテトラキス(2-エチルヘキサノエート)（TTIP）、ジエタノールアミン（DEA）、エタノールを前駆体として用いた溶媒法合成。
• カーボン被覆ニッケル基板上へのチタニウム酸化物ソルのドレープコーティング法による堆積。
• プラズマ増強化学気相蒸着法（PECVD）を用いて、温度およびガス速度を制御することでニッケル基板上にカーボン層およびカーボンナノチューブ（CNTs）を堆積。
• 顕微鏡的分析（例：SEM/TEM、文脈から推定される）を用いてチタニウム酸化物薄膜の微細構造を分析し、ナノスケールの多孔質構造を確認。
• 多孔質チタニウム酸化物薄膜における量子制限効果およびナノ構造効果に起因するバンドギャップの低減。
• 導電性および溶媒法処理との適合性を考慮した基板選定により、光反応性の向上を図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カーボン被覆ニッケル基板は、チタニウム酸化物薄膜のバンドギャップを効果的に低減できるか？
• RQ2 チタニウム酸化物薄膜に見られるナノ構造的多孔質構造は、その光応答性および電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 PECVDのプロセスパラメータ（温度、ガス速度）は、カーボン層の品質および形状にどのような影響を及えるか？
• RQ4 ニッケル基板上にカーボンナノチューブ（CNTs）またはアモルファスカーボンを用いることで、チタニウム酸化物薄膜の微細構造および性能にどの程度の向上効果が得られるか？
• RQ5 溶媒法ドレープコーティング法は、導電性カーボン被覆基板上に安定的かつ高品質なナノ構造チタニウム酸化物薄膜を生成可能か？

主な発見

• チタニウム酸化物薄膜はナノメートルスケールの多孔質な微細構造を示し、量子制限効果に起因してバンドギャップが低減すると予想される。
• アモルファスカーボンおよびカーボンナノチューブを含むカーボン被覆ニッケル基板が、調整可能なパラメータを用いたPECVDにより効果的に作製された。
• TTIP、DEA、エタノールを用いた溶媒法プロセスにより、改質基板上に均一な薄膜堆積が可能となった。
• 得られた複合系は、電荷移動の向上とバンドギャップの低減に起因し、光触媒活性の向上が期待される。
• 本研究は、カーボン被覆ニッケル基板をナノ構造チタニウム酸化物薄膜の機能的基板として使用する可能性を裏付けた。
• 薄膜の微細構造と基板との相互作用から、光触媒デバイス用途における性能向上が示唆される。