Synthesis of sulfur-doped TiO by ion implantation

イオン注入法によるS添加二酸化チタンの作製

梅林 励; 八巻 徹也; 山本 春也; 田中 茂; 浅井 圭介*

Umebayashi, Tsutomu; Yamaki, Tetsuya; Yamamoto, Shunya; Tanaka, Shigeru; Asai, Keisuke*

われわれは、可視光応答型光触媒材料である硫黄(S)添加二酸化チタン(TiO)のイオン注入法を利用した新たな作製法を開発した。近年、材料・環境の分野においては、可視光応答型光触媒の実現は最も注目されている研究テーマの1つである。これに対して、最近の研究で、従来固溶しにくいと考えられてきたSをTiOに添加することにより、当該物質が可視光域でも大きな光触媒能を持つことを明らかにした。しかしながら、ここで利用してきたTiSを高温で酸化するという作製方法では、ドープ量,深さ方向へのSの濃度分布など、触媒の機能性を決める重要なパラメータの制御が非常に困難である。そこでわれわれは、これらのパラメータの制御が容易で、かつ固溶しにくい元素のドーピングに優れているイオン注入法によって、S添加TiOの作製を試みてきた。200KeVに加速したSイオン(810ions/cm)を室温にて、ルチル単結晶に照射した。照射後の結晶は、空気中、600Cで6時間だけ焼成した。ラザフォード後方散乱とXPS解析の結果、OサイトにSが置換したS添加TiOが作製できたことが明らかになった。また、光電流スペクトル測定では、可視光応答性を持つことを確認した。

TiO is promising as a photocatalytic material. However, it is active only under UV light irradiation because of its wide band gap (3.0 eV). We recently reported that sulfur (S) doping caused the optical absorption edge of TiO to be shifted into the lower energy region. Based on the theoretical analyses using first principles band calculations, mixing of the S 3p states with the valence band was found to contribute to the bandgap narrowing. In this study presented here, S-doped TiO was prepared by ion implantation and subsequent thermal annealing. S was implanted into the single crystals of rutile TiO with a fluence of 8 10 ions/cm. According to the results of RBS/channeling analysis, irradiation damage recovered after the annealing at 600 C in air. In the annealed crystal, S atoms occupied O sites to form Ti-S bonds, as assessed by XPS.