Осаждение фотокаталитических плёнок оксида титана с помощью плазмы магнетронного разряда

Данная работа посвящена экспериментальным исследованиям в получении фотокаталитических плёнок оксида титана. Плёнки получали с помощью магнетронной распылительной системы в смеси газов аргона и кислорода. Проведены измерения оптических и фотокаталитических характеристик плёнок. Исследовано влияние температуры отжига на фотокаталитические свойства плёнок TiO2.

Введение…………………………………………………………………………………………………… 14
Глава 1. свойства и получение тонких плёнок оксида титана …………….. 17
1.1 Кристаллическая структура TiO2 …………………………………………………. 17
1.2 Принцип действия фотокатализатора на основе оксида титана …….. 18
1.3 Факторы, влияющие на фотокаталитические свойства плёнок ……… 21
1.4 Химическое осаждение из паровой фазы ……………………………………… 23
1.5 Метод магнетронного распыления……………………………………………….. 25
1.6 Работа МРС с реактивным газом………………………………………………….. 28
Глава 2. описание экспериментального оборудования и методик
исследования свойств покрытий ………………………………………………………………….. 32
2.1 Вакуумная ионно-плазменная установка ТЕМП-74М …………………… 32
2.2 Планарный магнетрон и источник питания МРС………………………….. 35
2.3 Методика получения тонких плёнок оксида титана ……………………… 36
2.4 Измерение показателя преломления и толщины плёнки ……………….. 37
2.5 Измерения коэффициента пропускания ……………………………………….. 39
2.6 Методика определения ширины запрещенной зоны……………………… 41
2.7 Измерение фотокаталитических свойств ……………………………………… 42
2.8 Рамановская спектроскопия …………………………………………………………. 43
2.9 Исследование морфологии поверхности плёнки…………………………… 44
2.10 Отжиг плёнки оксида титана ……………………………………………………… 45
Глава 3. осаждение фотокаталитических плёнок оксида титана с
помощью магнетронной распылительной системы ………………………………………. 46
3.1 Гистерезисные характеристики магнетронного разряда ……………….. 46
3.2 Скорость осаждения плёнок ………………………………………………………… 47
3.3 Измерение оптических свойств плёнок ТiО2 ………………………………… 48
3.4 Расчёт ширины запрещенной зоны ………………………………………………. 51
3.5 Рамановская спектроскопия …………………………………………………………. 53
3.6 Морфология поверхности плёнок ………………………………………………… 56
3.7 Исследование фотокаталитических свойств плёнок TiO2 ……………… 58
Глава 4. финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение………………………………………………………………………………………. 61
4.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………… 61
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………. 61
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения……………………………………………….. 62
4.1.3 SWOT-анализ……………………………………………………………………………. 64
4.2 Планирование управления научно-исследовательским проектом …. 68
4.2.1 Организационная структура проекта …………………………………………………. 68
4.2.2 Ограничения и допущения проекта …………………………………………………… 69
4.2.3 Контрольные события проекта ………………………………………………………….. 69
4.2.4 План проекта…………………………………………………………………………………….. 71
4.3 Бюджет научного исследования …………………………………………………… 73
4.3.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты ……………………. 74
4.3.2 Специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ .. 75
4.3.3 Основная заработная плата ……………………………………………………………….. 76
4.3.4 Дополнительная заработная плата научно-производственного персонала
…………………………………………………………………………………………………………………. 78
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды ……………………………………………….. 78
4.3.6 Накладные расходы ………………………………………………………………………….. 79
4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта …. 79
4.3.8 Реестр рисков проекта ……………………………………………………………………… 80
4.4 Оценка сравнительной эффективности исследования …………………… 81
Глава 5. социальная ответственность ………………………………………………… 85
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности . 86
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства …………………………………………………………… 86
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя …………………………………………………………………………………………… 87
5.2 Производственная безопасность ………………………………………………….. 91
5.2.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть в
лаборатории при проведении исследований и мероприятия по снижению их
воздействия ………………………………………………………………………………………………. 91
5.3 Экологическая безопасность ……………………………………………………….. 95
5.3.1 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду ……….. 95
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………….. 95
5.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований …………………………………………………………………………. 95
5.4.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка
действия в случае возникновения ЧС ………………………………………………………… 97
Заключение …………………………………………………………………………………….. 101
Приложение А ………………………………………………………………………………… 104
Список публикаций…………………………………………………………………………. 118
Список используемой литературы …………………………………………………… 119

1.Савинов Е.Н. Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха
// Соросовский образовательный журнал. – 2000. – Т. 6. – № 11. – 52 – 56.
2.Воронцов А. В. Гетерогенная фотокаталитическая окислительная
деструкция углеродсодержащих соединений на чистом и платинированном
диоксиде титана: автореф. дис. д-ра хим. наук. – Новосибирск, 2009. – 35 с.
3.Нарцев В.М., Прохоренков Д.С., Осипенко Н.В., Зайцев С.В.,
Евтушенко Е.И. Исследование свойств TiOx покрытий, формируемых с
использованием вакуум – плазменных технологий // Фундаментальные
исследования. – 2012. – № 11. – 1195 – 1200.
4.Mo S, Ching W. Electronic and optical properties of three phases of
titanium dioxide: Rutile, anatase and brookite // Physical Review B. 1995 V.51. №19.
Р. 13023-13032.
5.Yang T.-S., Shiu C.-B., Wong M.-S. Structure and hydrophobicity of
titanium oxide films prepared by electron beam evaporation // Surf. Sci. 2004. – V.
548. – № 1-3. – P. 75-82.
6.ТОО «Тенре-Аэролайф». [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.tenre-airlife.kz/ru/428-tehnologija_fotokataliza.html (дата обращения:
10.04.2017).
7.Tanaka K., Mario F.V. Capule, Hisanaga T. Effect of crystallinity of
TiO2 on its photocatalytic action // Chemical Physics Letters. – 1991. – V.187. – №1.
– P. 73-76.
8.Ohno T., Sarukawa K., Tokieda K., Matsumura M. Morphology of a
TiO2 Photocatalyst Consisting of Anatase and Rutile Crystalline Phases // Journal of
Catalysis. – 2001. – V.203. – №1. – P. 82-86.
9.Sclafani A., Herrmann J. M. Comparison of the Photoelectronic and
Photocatalytic action // J. Phys. Chem. – 1996. – V. 100. – P. 13655-13661.
10. Heintz O., Robert D., Weber J.V. Comparison of the degradation of
benzamine and aceticacid on different TiO2 photocatalysts // J. Photochem.
Photobiol. A Chem. – 2000. – V. 135. – P. 77-80.
11. Шаповалов В.И. Плёнки оксида титана в задачах экологии:
технология, состав, структура, свойства // Вакуумная техника и технология –
2007. –Т.17. – №3. – С. 233-256.
12. 12 Van de Krol R., Goossens A. Structure and properties of anatase TiO2
thin films made by reactive electron beam evaporation // J. Vac. Sci. Technol. – 2003.
– V. 21. – P. 76.
13. Chen S.F., Wang C.W. Effects of deposition temperature on the
conduction mechanisms and reliability of radio frequency sputtered TiО2 thin films //
J. Vac. Sci. Technol. B. – 2002. –V. 20. – № 1. – P. 263-270.
14. МорозовА.Н.Синтезикаталитическиесвойства
наноструктурированных покрытий диоксида титана: дис. к.т.н. – Москва, 2014.
– 144 с.
15. Национальный открытый университет «Интуин». [Электронный
ресурс].–Режимдоступа:http://www.intuit.ru/studies/courses/12180/1173/
lecture/19620 (дата обращения: 10.04.2017)
16. Bessergenev V.G., Khmelinskii I.V., Pereira R.J.F., Krisuk V.V.,
Turgambaeva A.E., Igumenov I.K., Preparation of TiO2 films by CVD method and
its electrical, structural and optical properties // Vacuum. – 2002. – V.64. – P. 275-
279.
17. Masahiko M., Teruyoshi W. Evaluation of photocatalytic properties of
titanium oxide films prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition// Thin
Solid Films. – 2005. – V. 489. – P.320.
18. Rong Tu, Takashi Goto. High Temperature Stability of Anatase Films
Prepared by MOCVD// Materials Transactions. – 2008. – V.49. – Р. 2040-2046.
19. Кузьмичев А.И., Лобанов В.И. Устройство для распыления магнит-
ных материалов в вакууме. Авт. свид. СССР. 1 707 994; заявл. 14.02.1990;
опубл. 22.09.1991.
20. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные
системы. – М.: Радио и связь, 1982. – 70 с.
21. Электронный научно-практический журнал «Современная техника
итехнологии».[Электронныйресурс].–Режимдоступа:
http://technology.snauka.ru/2014/10/4595 (дата обращения: 10.04.2017)
22. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Книга 1:
Введение в физику и технику магнетронного распыления. – К.: Аверс, 2008. –
244 с.
23. Takahashi T., Nakabayashi H., Terasawa T., Masugata K. Atomic force
microscopy observation of TiO2 films deposited by dc reactive sputtering // J. Vac.
Sci. Technol. A. – 2002. – V. 20. – № 4. – P. 1205-1209.
24. Mikula M., Ceppan M., Kindernay J., Buc D. Photoelectrochemical
properties of TiOx layers prepared by DC pulsed unbalanced reactive magnetron
sputtering // Czechoslovak Journal of Physics A. – 1999. – V. 49. – № 3. – P. 393-
403.
25. Sirghi L., Hatanaka Y. Hydrophilicity of amorphous TiO2 ultra ‐ thin
films // Surf. Sci. – 2003. – V. 530. – P. 323-327.
26. Достанко А.П., Залесский В.Г. Технологические процессы и
системывмикроэлектронике:плазменные,электронно-ионно-лучевые,
ультразвуковые. – Минск: Бестпринт, 2009.
27. Delpha D., Haemers J., De Gryse R. Discharge Voltage Measurements
During Reactive Sputtering of Oxides // Thin Solid Films, 2006. – № 515. – p. 468-
471.
28. ООО «Интеллектуальные промышленные системы»: блоки питания
магнетронов DC magnetron power supplies. [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: https://ips.tomsk.ru/archives/124 (дата обращения: 10.04.2017)
29. Швец В.А., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В. Анализ статической
схемы эллипсометрических измерений // Оптика и спектр. – 2004. –Т.97. – № 3.
– С. 514-525.
30. Российская национальная нанотехнологическая сеть: [сайт]. URL:
http://www.rusnanonet.ru/nns/39674/equip/?page=40663.
31. Спектрофотометр CФ-2000 // Руководство пользователя. – Санкт-
Петербург. – 2000. – 35 с.
32. Martonez A.I., Acosta D.R., Lopez A.A., Magana C.R. Titanium dioxide
thin films: the effect of the preparation method in their photocatalytic properties //
Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. – 2005. –V. 228. – № 1-2. – P.183-188.
33. Zeman P., Takabayashi S. Effect of total and oxygen partial pressures on
structure of photocatalytic TiO2 films sputtered on unheated substrate// Surface and
Coatings Technology. – 2002. –V.153. – P. 93-99.
34. Witit-anun N., Kasemanankul P., Chaiyakun S., Limsuwan P. Structures
and Optical Properties of TiO2 Thin Films Deposited on Unheated Substrate by DC
Reactive Magnetron Sputtering // Kasetsart J. (Nat. Sci.). – 2009. – №43. – p. 340-
346.
35. Asanuma, T., Matsutani T., Liu C., Mihara T., Kiuchi M. Structural and
optical properties of titanium dioxide films deposited by reactive magnetron
sputtering in pure oxygen plasma // J. Appl. Phys. – 2004. – 95. – p.6011-6016.
36. Baoxing Z., Jicheng Z., Linyan R. Microstructure and optical properties
of TiO2 thin films deposited at different oxygen flow rates // Trans. Nonferrous Met.
Soc. China. – 2010. – №20. – p. 1429-1433.
37. Компания«NanoScanTechnology»:[сайт]URL:
http://www.nanoscantech.ru .
38. Takamura K., Abe Y., Sasaki K. Influence of oxygen flow ratio on the
oxidation of Ti target and the formation process of TiO2 films by reactive sputtering
// Vacuum. – 2004. – V. 74. – P. 397-401.
39. Cheol Ho Heo, Soon-Bo Lee, Jin-Hyo Boo. Deposition of TiO2 thin
films using RF magnetron sputtering method and study of their surface characteristics
// Thin Solid Films. –2005. –V. 475. №1-2. – P. 183-188.
40. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Санитарно-эпидемиологические правила
и нормативы «Гигиенические требования к ПЭВМ и организации работы».
41. СанПиН 2.2.4.548–96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений.
42. ГОСТ 12.1.029-80 ССБТ. Средства и методы защиты от шума.
Классификация.
43. СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение.
Актуализированная редакция СНиП 23-05-95.
44. СанПиН2.2.1/2.1.1.1278–03.Гигиеническиетребованияк
естественному, искусственному и совмещённому освещению жилых и
общественных зданий.
45. ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ. Электробезопасность. Предельно допусти-
мые уровни напряжений прикосновения и токов.
46. Пожаро- и взрывобезопасность промышленных объектов. ГОСТ
Р12.1.004-85 ССБТ. Пожарная безопасность.
47. ПБ10-115-96. Правила устройства и безопасной эксплуатации
сосудов, работающих под давлением. – ПИО ОБТ, 1996.
48. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к
воздуху рабочей зоны. – М.: Стандартинформ, 2005. – 10 с.