双射频等离子体增强脉冲激光沉积法精准调控二氧化钛薄膜性能研究

本研究针对光伏材料制备中低温高效调控TiO2薄膜性能的难题，采用双射频（RF）等离子体增强脉冲激光沉积（PE-PLD）技术，在≤400?°C条件下实现了对薄膜晶相比例（锐钛矿/金红石）、氧空位浓度及带隙能量的精准调控。结果表明，高低频RF功率与沉积时间协同影响薄膜特性，为光催化和光伏应用提供了可控制备新策略。

　　

二氧化钛（TiO₂）因其优异的光催化活性和光伏性能成为材料科学的研究热点，但其广泛应用面临两大瓶颈：一是传统制备方法需要高温退火（通常>500?°C），限制了柔性基底的应用；二是纯相TiO₂仅能响应紫外光（带隙3.0-3.2?eV），且载流子复合率高。商业催化剂Degussa P25通过混合锐钛矿（anatase）和金红石（rutile）相虽能提升性能，但相比例控制依赖经验性工艺。如何低温精准调控TiO₂薄膜的晶相与缺陷成为突破技术壁垒的关键。

针对这一挑战，Rodrigo Villegas等研究者创新性地将双射频（RF）等离子体引入脉冲激光沉积（PLD）系统，开发出低温（≤400?°C）下调控TiO₂薄膜特性的新方法。该研究通过高低频RF协同作用（低频2.26?MHz控制离子能量，高频13.56?MHz调控离子通量），结合PLD的化学计量转移优势，实现了对薄膜晶相比例、氧空位浓度及光学带隙的精确"裁剪"。相关成果发表于《Applied Surface Science》，为低温制备高性能TiO₂功能薄膜提供了新范式。

关键技术包括：1）双射频PE-PLD系统（等离子体增强脉冲激光沉积），采用氧等离子体环境；2）X射线衍射（XRD）分析晶相演变；3）X射线光电子能谱（XPS）定量氧空位；4）紫外-可见光谱测定光学带隙。

Experimental setup
研究团队搭建了独特的双射频PE-PLD系统：真空腔体内配置平行电极，分别连接2.26?MHz（LF）和13.56?MHz（HF）射频源，配合Nd:YAG激光器（1064?nm，4.8?ns脉宽）烧蚀TiO₂靶材。通过独立调控高低频功率（50-300?W）和沉积时间（5-60?min），在玻璃基底上生长薄膜。

Crystalline structure
XRD分析揭示：短时间沉积（<15?min）仅出现锐钛矿（101）晶面峰；延长至15?min后出现金红石（110）峰，形成混相结构。高频功率增加促进锐钛矿向金红石转变，低频功率提升则显著提高金红石比例（300?W时达82%），这与低频诱导的离子轰击增强有关。

Conclusions
研究证实：1）沉积时间控制晶相成核动力学，短时间利于锐钛矿形成；2）高频功率通过增加等离子体密度促进晶化，低频功率通过离子能量调控相变；3）双射频协同使氧空位浓度提升至15.3%，带隙可调至2.85?eV（红移约0.35?eV）；4）混相薄膜载流子寿命延长，归因于金红石/锐钛矿界面形成的type-II异质结抑制复合。

该技术突破传统PLD的高温限制，通过"等离子体剪刀"实现薄膜性能的原子级裁剪，为柔性光电器件、自清洁涂层等应用开辟了新途径。特别是氧空位与混相结构的协同调控策略，为设计可见光响应催化剂提供了普适性方法学参考。