Khi nghiên cứu chế tạo màng quang xúc tác nhờ ánh sáng thuộc vùng khả kiến cần quan tâm đến các thông số: (1) bờ hấp thụ của màng dịch về vùng ánh sáng khả kiến (Eg < 3.2eV vì Eg = 3.2eV là giá trị độ rộng vùng cấm của cấu trúc anatase TiO2); (2) độ kết tinh đủ cao để tránh tái hợp điện tử - lỗ trống; (3) diện tích hiệu dụng bề mặt lớn để hấp thụ được nhiều dung dịch hữu cơ cần xử lý.
Để bờ hấp thụ của màng dịch về vùng ánh sáng khả kiến và có tính năng quang xúc tác tốt trong vùng này, đã có hàng loạt những công trình nghiên cứu về màng TiO2 pha tạp N (TiO2:N) bằng phương pháp phún xạ magnetron được thực hiện. Kết quả cho thấy, lượng pha tạp được rất ít (nhỏ hơn 1.4%at [61], nhỏ hơn 2%atN [68]), hoặc bờ hấp thụ dịch chuyển ít về vùng ánh sáng khả kiến [49] và độ rộng vùng cấm quang (Eg) giảm không nhiều so với Eg của pha anatase TiO2 (Eg = 3.01eV [32], 3.15eV [74]). Lượng pha tạp N lớn và bờ hấp thụ dịch nhiều về vùng ánh sáng khả kiến chỉ được tìm thấy trong các phương pháp sử dụng năng lượng cao như IBAD, PLD. Trong đó, đạt được 24%atN – 30%atN [68] và độ rộng vùng cấm quang giảm đáng kể (Eg = 2.5eV[53]).
Trong luận án này, chúng tôi sử dụng hệ phún xạ magnetron không cân bằng tự chế tạo để có được năng lượng cao của các hạt đến đế, nhằm mục đích nâng cao được lượng pha tạp N vào tinh thể TiO2 và làm dịch bờ hấp thụ của màng về vùng ánh sáng khả kiến. Việc nghiên cứu này, mang khả năng ứng dụng lớn vì phương pháp phún xạ magnetron rất thuận lợi cho việc tạo màng trên diện tích rộng. Trong khi đó, các phương pháp IBAD, PLD chỉ thích hợp cho nghiên cứu cơ bản với các đế có kích thước nhỏ.
- Bước 1: Tìm cơ chế để có lượng pha tạp N lớn vào tinh thể anatase TiO2 thông qua các điều kiện chế tạo.
- Bước 2: Nâng cao khả năng quang xúc tác của màng TiO2:N trong vùng ánh sáng khả kiến bằng hai phương pháp:
+ Chế tạo màng hai lớp tại hai điều kiện áp suất phún xạ khác nhau. Lớp đầu tiên, màng có lượng pha tạp N lớn. Lớp thứ hai màng có diện tích hiệu dụng bề mặt lớn.
+ Chế tạo màng có lượng pha tạp N lớn đồng thời diện tích hiệu dụng bề mặt lớn ở điều kiện áp suất cao và thế phún xạ lớn hơn 500eV.