(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上にエピタキシャル成長したＴｉ2Ｏ3膜が形成され、更に前記Ｔｉ2Ｏ3膜の上にエピタキシャル成長したＴｉＯ2膜が形成されたことを特徴とする、光触媒酸化チタン膜。
【請求項２】
レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上にエピタキシャル成長させたＴｉ2Ｏ3膜を形成し、更に前記Ｔｉ2Ｏ3膜の上にエピタキシャル成長させたＴｉＯ2膜を形成することを特徴とする、光触媒酸化チタン膜を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はレーザアブレーション成膜法により高い光触媒性をもった二酸化チタンの作製に関するものであり、Ｔｉ2Ｏ3膜とＴｉＯ2膜の二層構造の膜を形成することによりＴｉＯ2のみの膜に比べてより高い光触媒性を有した二酸化チタン膜が得られることを見出した。即ち、チタン酸化物であるＴｉ2Ｏ3膜をＴｉＯ2膜の下地にすることにより高い光触媒性をもった二酸化チタン膜が得られ、窒素酸化物等の有害ガスの分解、除去への利用への拡大が図れる。
【０００２】
【従来の技術】
真空蒸着法やゾル・ゲル法により二酸化チタン膜の作製が行われているが、これまでのＴｉＯ2膜はその結晶構造がルチルおよびアナターゼの多結晶構造のものしか作製できなかった。また、これらの作製方法では種々のチタン酸化物であるＴｉ2Ｏ3、ＴｉＯ2等の膜を多層構造で作製することは困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本件の課題は、数十ｎｍ（ナノメートル）程度の非常に薄い厚さで平滑な膜の作製が可能なレーザアブレーション成膜法により、エピタキシャル成長させたＴｉ2Ｏ3膜とＴｉＯ2膜の二層構造の膜を形成することにより高い光触媒性をもった二酸化チタン膜を作製することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、レーザアブレーション成膜法により、サファイア基板上にＴｉ2Ｏ3そしてＴｉＯ2の順でエピタキシャル成長膜を積層させることが重要である。このためにサファイア基板上のＴｉ2Ｏ3膜およびＴｉ2Ｏ3膜上のＴｉ2Ｏ3膜のエピタキシャル成長を見出した。作製した膜の結晶構造はＸ線回折法により評価し、さらに光触媒性をパルス光励起表面正孔量測定法（特願２０００−２１３７７２号）により評価した。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上にＴｉ2Ｏ3そしてＴｉＯ2の順でエピタキシャル成長させた膜を積層することにより高い光触媒性をもった二酸化チタンを作製するものである。
この作製条件として、Ｔｉ2Ｏ3及びＴｉＯ2蒸着時の基板温度、酸素ガス圧、蒸発物質が重要な項目である。
【０００６】
即ち、本発明では、レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上にＴｉ2Ｏ3そしてＴｉＯ2の順でエピタキシャル成長させるものである。サファイア基板上にＴｉ2Ｏ3膜をエピタキシャル成長させる基板温度は、３００℃〜５００℃（好ましくは３５０℃〜４５０℃、最も好ましくは４００℃）であり、蒸着雰囲気は真空中（≦１×１０-6Ｔｏｒｒ）、蒸発物質はＴｉＯ2焼結体である。Ｔｉ2Ｏ3膜上にＴｉＯ2膜をエピタキシャル成長させる基板温度は、３５０℃〜５５０℃（好ましくは４００℃〜５００℃、最も好ましくは４５０℃）であり、蒸着雰囲気は低圧酸素雰囲気で１０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ（好ましくは２０ｍＴｏｒｒ〜８０ｍＴｏｒｒ、最も好ましくは３０ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒ）に制御される条件とする。蒸発物質はＴｉＯ2焼結体または金属チタンである。
【０００７】
レーザアブレーション成膜法において用いるレーザーは、蒸発物質を蒸発することができるものであればいずれでもよいが、好ましくはＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー（波長５３２ｎｍ）である。
本発明に用いることができるサファイア基板は、(０００１）面方位のサファイア単結晶基板である。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【０００８】
【実施例】
（実施例１）
１パルス当たり１００ｍＪ、繰り返し周波数１０ＨｚのＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー（波長５３２ｎｍ）を真空中（≦１×１０-6Ｔｏｒｒ）に置いたＴｉＯ2焼結体ターゲット（ＴｉＯ2：φ５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）に直径１ｍｍに集光させて入射した。ＴｉＯ2焼結体ターゲットより５ｃｍmの距離に基板温度４００℃に保持した（０００１）面方位のサファイア単結晶基板を設置し、３時間のレーザー照射でＴｉ2Ｏ3膜を作製した。得られたＴｉ2Ｏ3膜は厚さ０．１μｍであった。さらに、同上のレーザー照射条件及び基板温度で低圧酸素雰囲気中（３５ｍＴｏｒｒ）に置いた金属チタン（Ｔｉ：φ５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）に照射してＴｉ2Ｏ3膜上にＴｉＯ2膜を作製した。３時間のレーザー照射で得られたＴｉＯ2膜の厚さ０．１μｍであった。
【０００９】
作製した膜の結晶構造をＸ線回折法により評価した。その結果を図１に示す。低角度側のピークからそれぞれＴｉ2Ｏ3（０００６），ＴｉＯ2（２００）およびサファイア（０００６）からのピークに対応し、このＸ線回折測定の結果から（０００１）面のサファイア基板上に（０００１）面のＴｉ2Ｏ3膜が成長し、さらに、この膜の上に（１００）面のルチル型のＴｉＯ2膜が成長する結晶方位関係であった。
【００１０】
成膜した二酸化チタン膜の光触媒性能を見積もるため、パルス光励起表面正孔量測定法（特願２０００−２１３７７２号）により評価を行った。その結果を図２に示す。横軸は励起光の波長、縦軸は量子効率（表面励起正孔数／入射光強度）でプロットしている。この量子効率が高いほど、光の入射に対して多くの正孔が表面に励起することを意味しているので、高い触媒性能が期待される。Ｔｉ2Ｏ3膜上にＴｉＯ2を蒸着した本発明による二層構造の膜と、同一の蒸着条件でサファイア基板上に作製したルチル型ＴｉＯ2膜との自然光下での光触媒性能を評価したところ、本発明によるＴｉ2Ｏ3膜とＴｉＯ2膜の二層膜の方が４倍高い光触媒性能であることが分かった。
【００１１】
（比較例１）
実施例１と同様の条件でサファイア基板上にＴｉ2Ｏ3膜のみの膜を作製し、光触媒性能を評価したところ、光触媒性は見出せなかった。また、サファイア基板上にルチル型ＴｉＯ2膜のみの膜を作製し、光触媒性能を評価したところ、本発明によるＴｉ2Ｏ3膜とＴｉＯ2膜の二層構造の膜と比較して光触媒性は低かった。
【００１２】
（比較例２）
実施例１と同様の条件で、真空中（≦１×１０-6Ｔｏｒｒ）に置いたＴｉＯ2焼結体ターゲットを用いてサファイア基板上に蒸着を行った。基板温度２５０℃で蒸着した膜ではＴｉ2Ｏ3膜のエピタキシャル成長は確認できなかった。また、基板温度５５０℃で蒸着した膜ではルチル型のＴｉＯ2膜が成長していた。サファイア基板上にエピタキシャル成長させたＴｉ2Ｏ3膜上にルチル型のＴｉＯ2膜を成長させる場合、基板温度を３００℃で蒸着した膜ではＴｉＯ2膜のエピタキシャル成長は確認できなかった。さらに基板温度が５６０℃で蒸着した膜では、下地のＴｉ2Ｏ3膜がルチル型のＴｉＯ2に変化し、蒸着膜全体がルチル型のＴｉＯ2膜となってしまった。
【００１３】
【発明の効果】
レーザアブレーション成膜法を用いてＴｉ2Ｏ3膜とＴｉＯ2膜の二層構造の膜を形成することにより、ＴｉＯ2膜のみのものに比べてより高い光触媒性をもった二酸化チタン膜が得られることを見出した。即ち、チタン酸化物であるＴｉ2Ｏ3膜をＴｉＯ2膜の下地にすることにより二酸化チタン膜の光触媒性が高くなり、窒素酸化物等の有害ガスの分解、除去への利用が拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上に成膜したＴｉ2Ｏ3とＴｉＯ2の二層膜のＸ線回折（θ−２θ）図である。
【図２】  図２は、レーザアブレーション成膜法によりサファイア基板上に成膜した本発明によるＴｉ2Ｏ3とＴｉＯ2の二層膜およびＴｉＯ2のみの膜の表面励起正孔量測定結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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