[发明专利]表面电荷转移掺杂调控Ti‑O薄膜表面能级能态的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜表面物理化学改性的技术领域，特别涉及一种表面电荷转移掺杂调控Ti-O薄膜表面能级能态的方法。

背景技术

Ti-O薄膜作为一种重要的宽禁带半导体材料，有着独特的电化学性能、光电性能以及良好的生物相容性。因此，将Ti-O薄膜沉积在硅片和金属材料表面，对其进行表面改性，能够获得良好性能的电化学材料、光电材料及生物医学材料。

但通过薄膜沉积方法如非平衡磁控溅射法等沉积Ti-O薄膜，Ti-O薄膜内部有序晶格在其表面的突然中断而存在悬挂键，使Ti-O薄膜不可避免地出现了表面态、局域态和杂质能级，对薄膜的电化学性能、光电性能和生物相容性有一定影响：在光电催化方面，由于杂质能级的存在，它不能有效地提高光电转换效率；在电化学与生物相容性方面，由于缺陷态在材料表面的分布，导致其载流子浓度低，电化学性能差，材料应用于人体时会引发凝血等一些不良反应，导致其生物相容性有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面电荷转移掺杂调控Ti-O薄膜表面能级能态的方法。该方法得到的Ti-O薄膜具有优良的光电特性和生物相容性。且其制备过程简单，条件温和，适合于大规模生产。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种表面电荷转移掺杂调控Ti-O薄膜表面能级能态的方法，其步骤是：

A、利用非平衡磁控溅射系统在抛光的纯钛表面沉积Ti-O薄膜，得到纯钛表面上沉积有Ti-O薄膜的材料；

B、将A步的材料放入浓度为0.04～0.06mol/L的Na₂CO₃溶液中浸泡30～60min，取出，70～110℃真空干燥；

C、将100份质量的多巴胺与1份质量的聚合引发剂在无氧环境下溶解于pH＝8.0～9.0的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，使多巴胺的浓度为0.20～0.26mol/L；

D、将B步得到的材料放入C步的溶液中6～12h，并同时缓慢通入氧气，多巴胺聚合成聚多巴胺并沉积在Ti-O薄膜的表面，取出、晾干，紫外光照30～60min；

E、将D步得到的材料，置于pH＝9～12的碱性溶液中24～48h，超声清洗3～4次，即得。

本发明的机理是：

B步通过将表面沉积有Ti-O薄膜的纯钛放入Na₂CO₃溶液中浸泡，一方面可以延长电子的寿命；另一方面可以有效地抑制电子-空穴对复合，使Ti-O薄膜的光电性能和生物相容性提高。

C步在无氧环境下，将多巴胺和聚合引发剂溶解于三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，使多巴胺和聚合引发剂分散均匀；

D步将沉积有Ti-O薄膜的纯钛放入溶解有多巴胺和聚合引发剂的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中。由于多巴胺为左旋多巴和胺基基团构成的具有优良粘附性能的仿生小分子，能够较好地粘附于Ti-O薄膜上；同时通入氧气，多巴胺表面的邻苯二酚基团和亚胺基团在聚合引发剂的促进下会发生脱水缩合、分子环化和分子间，使多巴胺交联而形成聚多巴胺。从而使得聚多巴胺稳定、均匀地接枝在Ti-O薄膜表面。同时由于聚多巴胺具有良好的光生电荷性能，具有很强的紫外吸收能力和抗氧化性能，在紫外光照下它能够作为电子供体向磁控溅射得到的Ti-O薄膜注入电子，淬灭Ti-O薄膜表面的表面态、局域态和杂质能级，使其表面能级能态得到调控，光电性能得到提高，亲水性等生物相容性能得到改善。

E步又将接枝有聚多巴胺的Ti-O薄膜置于碱性溶液中。聚多巴胺为两性电解质聚合物。在碱性环境下，它的亚胺基团和和邻苯二酚基团会同时带上负电荷，产生较强的静电排斥，使聚多巴胺从Ti-O薄膜表面分离。从而实现了在不改变Ti-O薄膜表面的成分和结构的前提下，调控其表面的能级能态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明的电子供体(聚多巴胺)在提供电子对Ti-O薄膜进行能级能态调控后，电子供体又在碱性环境下被去除，从而在不改变薄膜表面的成分和结构的前提下，有效地改善了Ti-O薄膜光电性能、电化学性能和亲水性等生物相容性。

二、本发明的能级能态调控操作均是在常温液态下进行，其调控条件温和、操作方便、制备成本低、适用于大规模工业化生产。

进一步，本发明中所述A步中非平衡磁控溅射系统在抛光的纯钛表面沉积Ti-O薄膜的沉积参数为：直流电流2.5～3.0A、沉积时间8～10min、基体偏压-140～-160V、靶基距75～80mm、Ar/O比为60/13～60/15。