Please wait a minute...
物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (10): 2042-2051    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201705125
论文     
光诱导约束刻蚀体系中的TiO2纳米管阵列光电极上Cu的沉积及抑制
黄雅钰,方秋艳,周剑章*(),詹东平,时康,田中群
Deposition and Inhibition of Cu on TiO2 Nanotube Photoelectrode in Photoinduced Confined Etching System
Ya-Yu HUANG,Qiu-Yan FANG,Jian-Zhang ZHOU*(),Dong-Ping ZHAN,Kang SHI,Zhong-Qun TIAN
 全文: PDF(2740 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) | Supporting Info
摘要:

光诱导约束刻蚀可作为一种无应力的化学平坦化方法用于Cu的抛光。我们发现在光诱导约束刻蚀工件Cu的过程中,工具表面的TiO2纳米管上可能出现Cu沉积。通过扫描电子显微镜及其能谱,X射线光电子能谱等方法分析其沉积形貌和成分组成,探究在工具-工件之间的微纳尺度液层中Cu光催化还原沉积的机制,并在模拟液中研究Cu沉积对刻蚀体系的影响。探究引入搅拌、加入络合剂对TiO2纳米管表面Cu的沉积的抑制,并考察抑制措施对于工件Cu刻蚀的影响。结果表明Cu沉积会增强TiO2纳米管光电极的光催化性能,但随着沉积量的增加,增强机制会发生变化;在尝试抑制Cu沉积时也发现改善传质以抑制Cu沉积的同时也会带来工件Cu的刻蚀增强;采用添加络合剂结合改善传质的方法有望在抑制Cu沉积的同时提高平坦化效果。所以抑制方法和条件的选择需兼顾对工具-工件之间微纳液层中的多个化学和传质过程的影响。这些研究对于进一步优化光诱导约束刻蚀体系及其在化学平坦化中的应用有重要的指导意义。

关键词: 光诱导约束刻蚀TiO2纳米管阵列羟基自由基约束剂Cu的光催化沉积传质    
Abstract:

A photoinduced confined etching system was used for the unstressed chemical planarization of Cu. Cu deposits were found on the surface of TiO2 nanotubes of the tool during the photoinduced confined etching of the Cu workpiece. Scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy were used to analyze the morphology and composition of the Cu deposits, and the mechanism of the photodeposition of Cu in the micro/nanoscale liquid layer between the tool and the workpiece was investigated. Moreover, a simulated cupric solution was used to study the effect of the Cu deposits during the photoinduced confined etching. Several routes including stirring and complexing agent were used to investigate the inhibition of Cu deposition on the surface of TiO2 nanotubes and the simultaneous effect on the etching of Cu workpiece. The results showed that the Cu deposits enhanced the photocatalytic performance of TiO2 nanotubes, but the mechanism of enhancement changed with the increase in Cu deposits. Inhibition of Cu deposition by improving mass transfer can lead to the increase in the etching of Cu; addition of complexing agent combined with enhanced mass-transfer can inhibit Cu deposition, while improving the planing effect. Thus, the choice of inhibition methods and conditions should balance the effect of the micro/nano liquid layer between the tool and workpiece on multiple chemical reactions and mass transfer processes. The results provide an important guiding significance for further regulation and optimization of the photoinduced confined etching system.

Key words: Photo-induced confined etching    TiO2 nanotube arrays    ·OH    Scavenging agent    Photo-deposition of Cu    Mass transfer
收稿日期: 2017-04-13 出版日期: 2017-05-12
中图分类号:  O649  
基金资助: 国家自然科学基金(91023043);国家自然科学基金(21021002);国家自然科学基金(91023006)
通讯作者: 周剑章     E-mail: jzzhou@xmu.edu.cn
服务  
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章  
黄雅钰
方秋艳
周剑章
詹东平
时康
田中群

引用本文:

黄雅钰,方秋艳,周剑章,詹东平,时康,田中群. 光诱导约束刻蚀体系中的TiO2纳米管阵列光电极上Cu的沉积及抑制[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 2042-2051, 10.3866/PKU.WHXB201705125

Ya-Yu HUANG,Qiu-Yan FANG,Jian-Zhang ZHOU,Dong-Ping ZHAN,Kang SHI,Zhong-Qun TIAN. Deposition and Inhibition of Cu on TiO2 Nanotube Photoelectrode in Photoinduced Confined Etching System. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(10): 2042-2051, 10.3866/PKU.WHXB201705125.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201705125        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I10/2042

图1  光诱导约束刻蚀Cu实验装置
图2  光诱导约束刻蚀Cu的TiO2 NTs表面的SEM及EDS图
图3  光诱导约束刻蚀后TiO2纳米管表面的XPS能谱图
图4  (a)光诱导约束刻蚀体系中Cu的刻蚀和光催化沉积的机制示意图和(b) Cu2O, TiO2和Cu的能带及费米能级图,pH = 7
图5  不同光还原时间下Cu/TiO2 NTs电极的SEM图
图6  TiO2NTs和Cu/TiO2NTs电极的吸收光谱图
图7  (a) TiO2NTs电极和(b)不同光照时间下制备的Cu/TiO2NTs电极的暂态光电流响应
图8  光诱导约束刻蚀后TiO2 NTs表面的SEM图
1 Tian Z. W. ; Fen Z. D. ; Tian Z. Q. ; Zhuo X. D. ; Mu J. Q. ; Li C. Z. ; Lin H. S. ; Ren B. ; Xie Z. X. ; Hu W. L. Faraday Discussions 1992, 94, 37.
doi: 10.1039/FD9929400037
2 Zhang L. ; Ma X. Z. ; Lin M. X. ; Lin Y. ; Cao G. H. ; Tang J. ; Tian Z. W. J.Phys. Chem. B 2006, 110, 18432.
doi: 10.1021/jp063110m
3 Zu Y. B. ; Xie L. ; Mao B. W. ; Tian Z. W. Electrochim. Acta 1998, 43, 1683.
doi: 10.1016/S0013-4686(97)00301-0
4 Fang Q. Y. ; Zhou J. Z. ; Zhan D. P. ; Shi K. ; Tian Z. W. ; Tian Z. Q. Chem. Commun. 2013, 49, 6451.
doi: 10.1039/c3cc42368a
5 Montini T. ; Gombac V. ; Sordelli L. ; Delgado J. J. ; Chen X. ; Adami G. ; Fornasiero P. ChemCatChem 2011, 3, 574.
doi: 10.1002/cctc.201000289
6 Lv X. J. ; Zhou S. X. ; Zhang C. ; Chang H. X. ; Chen Y. ; Fu W. F. J.Mater. Chem. 2012, 22, 18542.
doi: 10.1039/c2jm33325b
7 Canterino M. ; Somma I. D. ; Marotta R. ; Andreozzi R. Water Res. 2008, 42, 4498.
doi: 10.1016/j.watres.2008.07.035
8 Wu N. L. ; Lee M. S. Int. J. Hydrog. Energy 2004, 29, 160.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2004.02.013
9 Tseng I. H. ; Chang W. C. ; Wu J. C. S. Appl Catal B: Environ 2002, 37, 37.
doi: 10.1016/S0926-3373(01)00322-8
10 Bideau M. ; Claudel B. ; Faure L. ; Rachimoellah M. Chem. Eng. Commun. 1990, 93, 167.
doi: 10.1080/00986449008911444
11 Foster N. S. ; Noble R. D. ; Kovel C. A. Environ. Sci. Technol. 1993, 34, 3865.
doi: 10.1021/es00039a016
12 Jacobs J. W. M. ; Kampers F. W. H. ; Rikken J. M. G. ; Bulle-Lieuwma C. W. T. ; Koningsberger D. C. J.Electrochem. Soc. 1989, 136, 2914.
doi: 10.1149/1.2096373
13 Beranek R. ; Tsuchiya H. ; Sugishima T. ; Macak J. M. ; Taveira L. ; Fujimoto S. ; Kisch H. ; Schmuki P. Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 167.
doi: 10.1063/1.2140085
14 Xiong Z. G. ; Zhao X. S. J.Mater. Chem. A 2013, 1, 7738.
doi: 10.1039/c3ta11247k
15 Tavares M. C. ; Machado S. A. S. ; Mazo L. H. Electrochim. Acta 2001, 46, 4359.
doi: 10.1016/S0013-4686(01)00726-5
16 Kiss T. ; Sovago I. ; Gergely A. Pure Appl. Chem. 1991, 63, 597.
doi: 10.1351/pac199163040597
17 Wood A. ; Giersig M. ; Mulvaney P. J.Phys. Chem. B 2001, 105, 8810.
doi: 10.1021/jp011576t
18 Foster N. S. ; Lancaster A. N. ; Noble R. D. ; Koval C. A. Ind. Eng. Chem. Res. 1995, 34, 3865.
doi: 10.1021/ie00038a025
19 Tafalla D. ; Salvador P. ; Benito R. M. J.Electrochem. Soc. 1990, 137, 1810.
doi: 10.1149/1.2086809
20 Xin B. F. ; Wang P. ; Ding D. D. ; Liu J. ; Ren Z. Y. ; Fu H. G. Appl. Surf. Sci. 2008, 254, 2569.
doi: 10.1016/j.apsusc.2007.09.002
21 Bessekhouad Y. ; Robert D. ; Weber J. V. Catal. Today 2005, 101, 315.
doi: 10.1016/j.cattod.2005.03.038
22 Kabra K. ; Chaudhary R. ; Sawhney R. L. J.Hazard. Mater. 2007, 149, 680.
doi: 10.1016/j.jhazmat.2007.04.028
23 Hu Y. ; Fang. Q. Y. ; Zhou J. Z. ; Zhan D. P. ; Shi K. ; Tian Z.Q. ; Tian Z. W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29 (11), 2392.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201309043
胡艳; 方秋艳; 周剑章; 詹东平; 时康; 田中群; 田昭武. 物理化学学报, 2013, 29 (11), 2392.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201309043
24 Hickel B. ; Sehested K. Radiat. Phys. Chem. 1992, 39, 355.
doi: 10.1016/1359-0197(92)90244-A
25 Qu P. ; Zhao J. C. ; Shen T. ; Hidaka H. J.Mol. Catal. A: Chem. 1998, 129, 257.
doi: 10.1016/S1381-1169(97)00185-4
26 Kirino O. ; Enomoto T. Precis. Eng. 2011, 35, 669.
doi: 10.1016/j.precisioneng.2011.05.0
[1] 吉天翼,刘艳成,赵剑锋,徐刚,王文锋,吴明红. 自由基诱导的水溶液中氟西汀的降解:脉冲辐解及稳态辐照研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(4): 823-828.
[2] 余翠平,王岩,崔接武,刘家琴,吴玉程. TiO2纳米管阵列的多重改性及其在超级电容器中应用的最新进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 1944-1959.
[3] 秦玉才,高雄厚,石利飞,张莉,段林海,宋丽娟. 原位晶化FCC催化剂传质性能的频率响应法辨析[J]. 物理化学学报, 2016, 32(2): 527-535.
[4] 徐娟,刘家琴,李靖巍,王岩,吕珺,吴玉程. MnO2/H-TiO2纳米异质阵列的调控制备及超电容特性[J]. 物理化学学报, 2016, 32(10): 2545-2554.
[5] 李敏杰, 刁玲, 寇莉, 李重杲, 陆文聪. 羟基自由基和鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对反应的密度泛函理论研究[J]. 物理化学学报, 2015, 31(6): 1007-1014.
[6] 胡龙兴, 许丹丹, 邹联沛, 袁航, 胡星. 介孔Fe/SBA-15非均相芬顿氧化水中难降解染料罗丹明B[J]. 物理化学学报, 2015, 31(4): 771-782.
[7] 张剑芳, 王岩, 沈天阔, 舒霞, 崔接武, 陈忠, 吴玉程. 脉冲沉积制备Cu2O/TiO2纳米管异质结的可见光光催化性能[J]. 物理化学学报, 2014, 30(8): 1535-1542.
[8] 高素雯, 兰章, 吴晚霞, 阙兰芳, 吴季怀, 林建明, 黄妙良. 基于TiO2纳米管阵列的高效正面透光型染料敏化太阳能电池的制备及其光电性能[J]. 物理化学学报, 2014, 30(3): 446-452.
[9] 张友法, 吴洁, 余新泉, 梁彩华, 吴俊. 可控阵列微纳结构超疏水铜表面冰霜传质特性[J]. 物理化学学报, 2014, 30(10): 1970-1978.
[10] 胡艳, 方秋艳, 周剑章, 詹东平, 时康, 田中群, 田昭武. 光诱导约束刻蚀体系中羟基自由基生成的影响因素[J]. 物理化学学报, 2013, 29(11): 2392-2398.
[11] 侯若冰, 唐宗湘, 樊友军, 义祥辉, 王贝贝, 孙彦丽. 2’-脱氧腺苷-5’-磷酸与羟基自由基反应所形成的自由基[J]. 物理化学学报, 2013, 29(09): 1937-1944.
[12] 戴高鹏, 刘素芹, 彭荣, 罗天雄. 浸渍-分解法制备高可见光催化活性的Bi2O3/TiO2纳米管阵列[J]. 物理化学学报, 2012, 28(09): 2169-2174.
[13] 吴奇, 苏钰丰, 孙岚, 王梦晔, 王莹莹, 林昌健. Fe、N共掺杂TiO2纳米管阵列的制备及可见光光催化活性[J]. 物理化学学报, 2012, 28(03): 635-640.
[14] 侯若冰, 孙彦丽, 王贝贝. A-T碱基对单羟基自由基加成产物的单电子氧化还原性质[J]. 物理化学学报, 2012, 28(01): 73-77.
[15] 张胜寒, 梁可心, 檀玉. 不同形态铈改性的TiO2纳米管阵列的制备及其可见光光电响应性质[J]. 物理化学学报, 2011, 27(11): 2726-2732.