XPS analýza

Hlavním účelem XPS analýzy bylo potvrzení neměnné stechiometrie vrstev deponovaných při různém depozičním úhlu v závislosti na depoziční metodě. XPS analýza je časově a finančně náročná, a proto byly k této analýze vybrány dva vzorky s depozičním úhlem α = 80° deponovaných jak při RGCF, tak RGPP s normovanou tloušťkou na hodnotu 200 nm. Výběr depozičního úhlu nebyl náhodný. Při α = 80° byly deponovány i vzorky prezentované v předchozí kapitole (podkapitola 5.1, tabulka 2 a 3) se strukturou nakloněných sloupků a tudíž výsledky této analýzy mají i svou výpovědní hodnotu související se vzorky s různou strukturní architekturou.

Na obr. 46 je ilustrační obrázek spekter získaných XPS analýzou ukazující závislost intenzity záření v závislosti na vazebné energii:

77

Obr. 46 XPS spektra analyzovaných vrstev

Vazebná energie dominantní komponenty spektra fotoelektronů pro hodnotu 458,1 eV prezentované v předchozím obrázku odpovídá přítomnosti Ti⁴⁺ v oxidu titaničitém. Spektra C 1s elektronů jsou tvořena superpozicí dvou spektrálních komponent s vazebnými energiemi 284,8 eV a 288,5 eV. Ta komponenta o nižší hodnotě vazebné energie odpovídá uhlíku v –C-C- a –C-H vazbách. Komponenta s vazebnou energií o vyšší hodnotě (288,5 eV) odpovídá karboxylovým skupinám, popřípadě -O-C-NH2 vazbám.

Spektra O 1s elektronů vykazují přítomnost dvou komponent s vazebnými energiemi 529,6 a 531,8 eV. Nejzřetelnější linie O 1s odpovídá kyslíku v oxidu titaničitém. Minoritní linie s vazebnou energií O 1s elektronů (531,8 eV) je v literatuře interpretována jako důsledek přítomnosti Ti-O-N struktury (vytvoření vazby s dusíkem bylo zřejmě důsledkem expozice vrstvy po depozici vzduchu) [73].

Na základě výpočtu integračních ploch příslušné daným liniím bylo prokázáno, že v obou případech se jedná o stechiometrický oxid titaničitý. Tento experiment tak prokázal, že výběr depoziční metody má vliv pouze na depoziční rychlost (a tím i tloušťku), nikoliv na stechiometrii.

5.2.1.5 Analýza velikosti specifického povrchu

Na analýzu velikosti specifického povrchu byli vybráni tři zástupci o daném depozičním úhlu pro obě depoziční metody (RGCF a RGPP). Důvodem této analýzy bylo srovnání změny podílu specifického povrchu vůči nominálnímu povrchu (P/P0) pro vrstvu kolmých sloupků (α = 0°), vrstvu s nízkou hodnotou depozičního úhlu (α = 30°) a vrstvu s vysokým depozičním úhlem (α = 70°). Výsledky jsou prezentované na obr. 47:

78

Obr. 47 Závislost podílu specifického povrchu P vůči nominální povrchu P0 na depozičním úhlu α

Vrstvy bez orientované (sloupkovité) struktury vykazovaly jedny z nejnižších hodnot podílu P/P0, kde vrstva deponovaná při RGCF nezaznamenala navýšení plochy (P/P0=1).

Vrstva deponovaná při metodě RGPP vykazuje čtyřnásobné navýšení povrchu. Tyto výsledky korespondují s výsledky SEM a AFM analýzy povrchů TiO2 vrstev s různým depozičním úhlem (obr. 44 a 45), kdy vrstvy kolmých sloupků vykazovaly nejhladší povrchy ze všech analyzovaných.

Vzorek deponovaný při depozičním úhlu α = 30° při RGCF nevykázal stejně jako vrstva kolmých sloupků deponovaná stejnou metodou žádné navýšení hodnoty povrchu. Ze snímků SEM analýzy povrchů vrstev prezentovaných na obr. 44 je patrné, že tato vrstva měla povrch taktéž hladký, podobný povrchům vrstev kolmých sloupků. Vrstva deponovaná při depozičním úhlu α = 30° při RGPP vykazuje však nejvyšší hodnotu podílu P/P₀ ze všech analyzovaných vzorků (P/P₀ = 17). SEM snímek jejího povrchu (obr. 44) však vykazuje rozdíly v morfologii povrchu jak od jejího protějšku deponovaném při RGCF, tak i od vrstev kolmých sloupků, ale vzhledem k vysoké hodnotě podílu P/P₀ lze předpokládat, že k navýšení specifického povrchu došlo především díky přítomnosti pórů v povrchu vrstvy.

Obě vrstvy deponované při depozičním úhlu α = 70° vykazují navýšení svého povrchu jak pro RGCF (P/P0 = 16), tak pro RGPP (P/P0 = 8). Ze SEM analýzy povrchů vrstev prezentovaných na obr. 44 je patrné, že tyto vrstvy vykazovaly nejčlenitější povrch ze všech vrstev, čemuž odpovídala i nejvyšší hodnota aritmetické drsnosti, přesto v porovnání s vrstvou deponovanou při α = 30° vykazují buď to srovnatelné (RGCF) anebo znatelně menší (RGPP) hodnoty podílu P/P0, což podporuje domněnku vytvoření pórů u vrstev s α = 30°.

79

5.2.2 Fotokatalytická aktivita

Stejně jako v předchozím experimentu s vrstvami s různým typem strukturní architektury byla provedena analýza fotokatalytické aktivity vzorků s různým depozičním úhlem α v kontaktu s kapalnou a plynnou fází. Pozornost byla zaměřena zejména na rozdíly ohledně fotokatalytické aktivity vrstev bez orientované (α = 0°) a s orientovanou strukturou (α ≠ 0°).

5.2.2.1 Fotokatalytická aktivita vrstev v kontaktu s kapalnou fází

Fotokatalytická aktivita TiO₂ vrstev v kontaktu s kapalnou fází ukázala podstatné rozdíly v hodnotách normovaného rychlostního součinitele v závislosti na depozičním úhlu, viz obrázek 48. Pro možnost srovnání je pomocí přímky vyznačena účinnost srovnávací vrstvy AEROXIDE TiO2 P25 o tloušťce zhruba 5 µm (tloušťka analyzovaných vzorků: 200 nm).

Obr. 48 Fotokatalytická aktivita TiO2 vrstev s různým depozičním úhlem v kontaktu s kapalnou fází

Z obrázku 48 je patrné, že s rostoucím depozičním úhlem v intervalu 0° až 70° roste i hodnota normovaného rychlostního součinitele r specifikující fotokatalytickou aktivitu a to pro obě metody, RGCF i RGPP. Maximální hodnoty fotokatalytické aktivity bylo dosaženo u vzorků deponovaných s depozičním úhlem α = 70° pro metodu RGCF. Pro metodu RGPP bylo dosaženo nejlepšího výsledku u vrstvy s depozičním úhlem α = 85°. Vrstvy s nenulovým depozičním úhlem α ve všech případech převyšovaly hodnotou fotokatalytické aktivity vrstvy s depozičním úhlem α = 0°.

80

Diskuse výsledků fotokatalytické aktivity TiO₂ vrstev s různým depozičním úhlem α

Vrstvy deponované při nenulových hodnotách depozičního úhlu α vykazovaly přítomnost jak anatasu, tak rutilu (viz obr. 42). Již dříve bylo prokázáno, že vrstvy kolmých sloupků (α = 0°) taktéž vykazovaly přítomnost krystalové fáze. RTG difrakční analýza nebyla provedena pro depoziční úhel α = 30°, ale vzhledem k výsledkům předchozích RTG difrakčních analýz lze předpokládat, že veškeré analyzované vzorky vykazují přítomnost krystalické fáze.

Lze předpokládat, že vysokou hodnotu fotokatalytické aktivity bude mít zejména vzorek deponovaný při α = 30° metodou RGPP s velkým specifickým povrchem - podíl P/P0 = 17. Srovnatelnou fotokatalytickou aktivitu vykazuje ale i vzorek deponovaný při RGPP s α = 70°, kde byl podíl P/P0 poloviční. Stejnou fotokatalytickou aktivitu jako vzorek s nejvyšší hodnotou P/P0 měl i jeho protějšek – vrstva s α = 30° deponované při RGCF, kde velikost podílu P/P0 byla nejnižší, a to jedna.

Výsledky analýzy fotokatalytické aktivity vrstev v kontaktu s kapalnou fází prokázaly, že přítomnost orientované struktury u TiO2 vrstev pozitivně ovlivňuje účinnost těchto vrstev při dekompozici modelového barviva. Veškeré analyzované vzorky se sloupkovitou strukturou vykazují srovnatelné anebo znatelně vyšší hodnoty normované rychlostního součinitele ve srovnání se vzorky bez orientované struktury (jak pro RGCF, tak pro RGPP).