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Characterization of epitaxial TiO$$_{2}$$ films prepared by pulsed laser deposition

レーザ蒸着法により作製したエピタキシャルTiO$$_{2}$$膜の構造評価

山本 春也; 住田 泰史; 八巻 徹也; 宮下 敦巳; 楢本 洋

Yamamoto, Shunya; Sumita, Taishi; Yamaki, Tetsuya; Miyashita, Atsumi; Naramoto, Hiroshi

二酸化チタン(TiO$$_{2}$$)は優れた光触媒材料であり、触媒特性の大幅な向上にはルチル及びアナターゼ構造の高品質なエピタキシャル膜の作製が必要とされている。本研究では、レーザ蒸着法によりTiO$$_{2}$$のエピタキシャル成長を試み、種々の基板と膜との結晶方位関係,基板温度と膜の結晶性の関係を明らかにすることを目的とした。TiO$$_{2}$$薄膜試料は、低圧酸素雰囲気下でエキシマレーザ(ArF 193nm)を用いたレーザ蒸着法によりLaAlO$$_{3}$$,LSAT,SrTiO$$_{3}$$,YSZ, $$alpha$$-Al$$_{2}$$O$$_{3}$$などの単結晶基板上に約200nmの膜厚で作製した。TiO$$_{2}$$薄膜は、X線回折とラザフォード後方散乱/チャネリング法により構造評価を行った。その結果、基板温度が約500$$^{circ}$$C以上でアナターゼ構造の高品質なエピタキシャルTiO$$_{2}$$(001)膜がLaAlO$$_{3}$$(001), LSAT(001), SrTiO$$_{3}$$(001)基板上に得られ、また、$$alpha$$-Al$$_{2}$$O$$_{3}$$(0001)及び(01-01)基板上には各々ルチル構造のTiO$$_{2}$$(100)及びTiO$$_{2}$$(001)膜が得られた。さらに光学的バンドギャップを評価し、アナターゼTiO$$_{2}$$(001)膜で3.22eV,ルチルTiO$$_{2}$$(100)膜で3.11eVの値を得た。

The epitaxial growth of TiO$$_{2}$$ films has attracted much interest from the viewpoints of basic science and applications. In the present study, it is shown that TiO$$_{2}$$ films with anatase or rutile structure can be grown by pulsed laser deposition(PLD) with an ArF excimer laser under the controlled O$$_{2}$$ atmosphere. The TiO$$_{2}$$ films were prepared on the LaAlO$$_{3}$$, LSAT SrTiO$$_{3}$$ and $$alpha$$-Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ single crystal substrates. The epitaxial films were analyzed by RBS and X-ray diffraction for investigating the crystallographic relationships with the substrates. The high quality anatase TiO$$_{2}$$(001) films have been successfully grown on the LaAlO$$_{3}$$ (001), LSAT (001) and SrTiO$$_{3}$$ (001) substrates at temperatures above 500$$^{circ}$$C. Also the high quality rutile TiO$$_{2}$$(100) and (001) films were obtained on the $$alpha$$-Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ (0001) and (10-10), respectively.The optical properties were characterized by optical absorption measurements. The optical band gaps for anatase and rutile TiO$$_{2}$$ epitaxial films were evaluated to be 3.22 eV and 3.11 eV, respectively.

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