Atomikerroskasvatettujen titaanidioksidiohutkalvojen pelkistymisen tutkiminen synkrotroniviritteisellä fotoelektronispektroskopialla
Ala-Hakuni, Laura (2021)
Ala-Hakuni, Laura
2021
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-05-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202105104737
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202105104737
Tiivistelmä
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan atomikerroskasvatettujen titaanidioksiohutkalvojen pelkistymistä tyhjiössä tehtävän lämmityssarjan aikana. Titaanidioksidi on paljon tutkittu yhdiste, jota käytetään esimerkiksi valoaktiivisten kennojen pinnoitteena keinotekoisessa fotosynteesissä. Tutkittavien näytteiden atomikerroskasvatus suoritettiin Tampereen yliopiston pintatieteen laboratoriossa ja tutkimus suoritettiin MAX IV -synkrotronitutkimuskeskuksen FinEstBeAMS -sädelinjalla Ruotsissa, jossa näytteistä mitattiin XPS-spektrit.
Tutkittavana oli kolmessa eri lämpötilassa, 100 °C, 150 °C ja 200 °C, kasvatettuja ohutkalvoja, joille suoritettiin lämmityssarja tyhjiöolosuhteissa. Lämmityssarjan aikana ohutkalvot lämmitettiin kumulatiivisesti lämpötiloihin 200, 250, 300, 350, 400, 450 ja 500 °C. Titaanidioksidiohutkalvoista mitattiin XPS-spektrit ennen lämmityssarjaa näytteiden ollessa huoneenlämmössä ja jokaisen lämmitysvaiheen jälkeen, kun ohutkalvot olivat jäähtyneet huoneenlämpöön.
XPS-spektreistä pystyttiin tunnistamaan näytteessä olevia alkuaineita sekä näiden eri komponentteja mitattujen elektronien liike-energioiden avulla. Saadun mittausdatan ja siihen tehtyjen sovitteiden avulla eri komponenttien ja aineiden suhteellisia osuuksia kyettiin vertailemaan ja saatiin näin tietoa titaanidioksidiohutkalvojen pelkistymisestä.
Saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että korkeimmassa lämpötilassa kasvatettu ohutkalvo pelkistyi enemmän, kuin alemmissa lämpötiloissa kasvatetut ohutkalvot, kun lämpötila ylitti 300 °C. Pelkistymistä tapahtui myös alemmissa lämpötiloissa kasvatetuissa kalvoissa. Kasvatuslämpötila vaikutti myös siihen, missä vaiheessa lämmityssarjaa pelkistyminen alkoi. Korkeammassa lämpötilassa kasvatetut ohutkalvot pelkistyivät aikasemmin ku alemmassa lämpötilassa kasvatetut ohutkalvot. Titaanidioksidiohutkalvojen pelkistyessä titaanin ja hapen välisiä sidoksia katkeaa. Tutkimuksessa havaittiin, että titaanista irronnut happi jää ohutkalvojen rakenteeseen, eikä happea vapaudu ympäristöön.
Tutkittavana oli kolmessa eri lämpötilassa, 100 °C, 150 °C ja 200 °C, kasvatettuja ohutkalvoja, joille suoritettiin lämmityssarja tyhjiöolosuhteissa. Lämmityssarjan aikana ohutkalvot lämmitettiin kumulatiivisesti lämpötiloihin 200, 250, 300, 350, 400, 450 ja 500 °C. Titaanidioksidiohutkalvoista mitattiin XPS-spektrit ennen lämmityssarjaa näytteiden ollessa huoneenlämmössä ja jokaisen lämmitysvaiheen jälkeen, kun ohutkalvot olivat jäähtyneet huoneenlämpöön.
XPS-spektreistä pystyttiin tunnistamaan näytteessä olevia alkuaineita sekä näiden eri komponentteja mitattujen elektronien liike-energioiden avulla. Saadun mittausdatan ja siihen tehtyjen sovitteiden avulla eri komponenttien ja aineiden suhteellisia osuuksia kyettiin vertailemaan ja saatiin näin tietoa titaanidioksidiohutkalvojen pelkistymisestä.
Saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että korkeimmassa lämpötilassa kasvatettu ohutkalvo pelkistyi enemmän, kuin alemmissa lämpötiloissa kasvatetut ohutkalvot, kun lämpötila ylitti 300 °C. Pelkistymistä tapahtui myös alemmissa lämpötiloissa kasvatetuissa kalvoissa. Kasvatuslämpötila vaikutti myös siihen, missä vaiheessa lämmityssarjaa pelkistyminen alkoi. Korkeammassa lämpötilassa kasvatetut ohutkalvot pelkistyivät aikasemmin ku alemmassa lämpötilassa kasvatetut ohutkalvot. Titaanidioksidiohutkalvojen pelkistyessä titaanin ja hapen välisiä sidoksia katkeaa. Tutkimuksessa havaittiin, että titaanista irronnut happi jää ohutkalvojen rakenteeseen, eikä happea vapaudu ympäristöön.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [6978]