一種低溫制備五氧化二釩納米薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種制備納米薄膜的方法，尤其設(shè)及一種低溫制備五氧化二饑納米 薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 饑（V)具有很多價(jià)態(tài)，因此不同的饑氧化合物具有很多重要的應(yīng)用價(jià)值。例如單 斜相二氧化饑（V〇2)具有熱致相變特征，可用于紅外隱身、智能窗、激光防護(hù)、電開(kāi)關(guān)、熱開(kāi) 關(guān)等領(lǐng)域。同樣五氧化二饑為饑氧六面體層狀排列，非常有利于帶電粒子在層間的吸附和 脫出，在電致變色、超級(jí)電容器等領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，同時(shí)由于五氧化二饑中V離子d軌 道上有空余軌道，在氨離子注入五氧化二饑薄膜時(shí)具有非常顯著的變色效應(yīng)，被廣泛用于 氣敏器件。饑氧化物中最穩(wěn)定的是五氧化二饑，由于不同饑氧化物之間可W通過(guò)相互的氧 化還原反應(yīng)互相轉(zhuǎn)換，因此五氧化二饑薄膜的快速低成本制備具有很高的實(shí)用價(jià)值。
[0003] 傳統(tǒng)的五氧化二饑薄膜的制備方法，包括機(jī)械法和化學(xué)法。機(jī)械法包括化學(xué)氣相 沉積法、物理氣相沉積法、磁控瓣射法和脈沖激光沉積法等。此類方法成膜致密、均勻，但對(duì) 設(shè)備環(huán)境要求苛刻，成本高，大面積制備受設(shè)備限制。而化學(xué)方法常用的如溶膠凝膠等方 法。傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法不易得到高結(jié)晶定向排列的五氧化二饑薄膜，且在熱處理過(guò)程中 需要引入氧氣等氧化性氣氛，或者對(duì)得到的薄膜進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼?br>[0004] 吳廣明等在其論文《納米結(jié)構(gòu)五氧化二饑薄膜的溶膠凝膠制備與特性研究》中采 用溶膠-凝膠技術(shù)，W五氧化二饑粉末為原材料制備了納米結(jié)構(gòu)的五氧化二饑薄膜.然而 制備的薄膜需要高溫?zé)崽幚恚冶∧さ慕Y(jié)晶性并不理想，500°c般燒的條件下沒(méi)有出現(xiàn)定向 排列。劉亞強(qiáng)在其碩±論文《五氧化二饑溶膠-凝膠法的制備及其特性研究》中采用不同的 氣氛在不同的溫度下進(jìn)行般燒，發(fā)現(xiàn)在500°c時(shí)，出現(xiàn)了定向排列，但其結(jié)晶性并不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽(yáng)〇化]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)溶膠-凝膠法制備五氧化二饑薄膜時(shí)所碰到的上述一種或 者多種問(wèn)題，將烙融五氧化二饑導(dǎo)入水中并添加穩(wěn)定劑，制得五氧化二饑溶膠，并采用提拉 法得到非晶五氧化二饑薄膜，然后將凝膠膜在密閉環(huán)境下進(jìn)行熱處理而得到定向排列的結(jié) 晶性五氧化二饑薄膜。
[0006] 第一方面，本發(fā)明提供了一種低溫制備五氧化二饑納米薄膜的方法，其特征在于， 所述方法包括如下步驟：
[0007] (1)清洗基片：使用清洗試劑浸泡所述基片，然后在清洗溶劑中將浸泡過(guò)的基片 進(jìn)行超聲處理并驚干； 陽(yáng)00引 似溶膠制備：W1 :20至1:80的重量體積比將烙融狀態(tài)的五氧化二饑導(dǎo)入水中 并攬拌，然后加入穩(wěn)定劑并攬拌，制得五氧化二饑溶膠；
[0009] (3)成膜：將清洗過(guò)的所述基片在所述五氧化二饑溶膠中提拉得到規(guī)定厚度的薄 膜并在干燥箱中干燥，從而得到非晶五氧化二饑薄膜；和
[0010] (4)薄膜后處理：將所述非晶五氧化二饑薄膜密封在反應(yīng)蓋中于180°C至300°C保 溫12小時(shí)至36小時(shí)，從而得到定向排列的五氧化二饑薄膜。
[0011] 在第二方面，本發(fā)明提供了本發(fā)明第一方面所述的方法制得的五氧化二饑薄膜。
[0012] 在第=方面，本發(fā)明提供了由本發(fā)明第一方面所述的方法制得的五氧化二饑薄膜 在熱致相變裝置、電致變色裝置或氣敏裝置中的應(yīng)用。
[0013] 本發(fā)明所述的五氧化二饑納米薄膜的制備方法無(wú)需高溫?zé)崽幚恚哂泄に嚭?jiǎn)單、 方法靈活、環(huán)境污染少、能耗低、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明方法所制得的 五氧化二饑薄膜為結(jié)晶度高、定向排列、膜層均勻的納米級(jí)薄膜。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是300°C熱處理12小時(shí)得到的五氧化二饑薄膜的X畑圖
[0015] 圖2是180°C熱處理36小時(shí)得到的五氧化二饑薄膜X畑圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明在第一方面提供了一種低溫制備五氧化二饑納米薄膜的方法，其特征在 于，所述方法包括如下步驟：（1)清洗基片：使用清洗試劑浸泡所述基片，然后在清洗溶劑 中將浸泡過(guò)的基片進(jìn)行超聲處理并驚干；（2)溶膠制備：W1:20至1:80的重量體積比將烙 融狀態(tài)的五氧化二饑導(dǎo)入水中并攬拌，然后加入穩(wěn)定劑并攬拌，制得五氧化二饑溶膠；(3) 成膜：將清洗過(guò)的所述基片在所述五氧化二饑溶膠中提拉得到規(guī)定厚度的薄膜并在干燥箱 中干燥，從而得到非晶五氧化二饑薄膜；和（4)薄膜后處理：將所述非晶五氧化二饑薄膜密 封在反應(yīng)蓋中于180°C至300°C保溫12小時(shí)至36小時(shí)，從而得到定向排列的五氧化二饑薄 膜。溫度太低，時(shí)間過(guò)短，所制備的薄膜不能結(jié)晶；溫度太高，時(shí)間太長(zhǎng)，所獲得薄膜的結(jié)晶 取向消失，晶粒長(zhǎng)大。
[0017] 在一些實(shí)施方式中，在步驟（1)中的所述基片的浸泡時(shí)間為0.5小時(shí)至2小時(shí)，例 如為0. 5小時(shí)、1小時(shí)、1. 5小時(shí)或2小時(shí)。
[0018] 在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述清洗試劑為濃硫酸和雙氧水的混合物，例如為 piranha試劑。進(jìn)一步優(yōu)選的是，所述濃硫酸為硫酸濃度大于或者等于70重量％的硫酸水 溶液。更進(jìn)一步優(yōu)選的是，在所述混合物中，所述濃硫酸與雙氧水的體積比為6:4至7比3。
[0019] 在一些實(shí)施方式中，在步驟（1)中的所述超聲處理通過(guò)將浸泡過(guò)的基片于超聲處 理器中依次使用丙酬、甲醇、水進(jìn)行超聲處理各15至30分鐘（例如15分鐘、20分鐘、25分 鐘或30分鐘）的時(shí)間來(lái)進(jìn)行。優(yōu)選的是，所述水為超純水。
[0020] 本發(fā)明對(duì)所述基片沒(méi)有特別的顯示，但是在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述基片可 W為玻璃片。
[0021] 在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述反應(yīng)蓋為水熱反應(yīng)蓋。例如為60ml-80ml的水熱 反應(yīng)蓋。
[0022] 在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟（2)中用于配制所述五氧化二饑溶膠的水為 超純水。
[0023] 在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，加入穩(wěn)定劑之前進(jìn)行的所述攬拌的速度為800轉(zhuǎn)/分 鐘至1200轉(zhuǎn)/分鐘，例如為800、900、1000、1100或1200轉(zhuǎn)/分鐘，更優(yōu)選的是1000轉(zhuǎn)/分 鐘；攬拌時(shí)間為0. 5小時(shí)至2小時(shí)，例如為0. 5、1. 0、1. 5或2. 0小時(shí)，優(yōu)選為1. 0小時(shí)。另 夕F，加入穩(wěn)定劑之后進(jìn)行的所述攬拌的速度可W為1500轉(zhuǎn)/分鐘至1700轉(zhuǎn)/分鐘，例如為 1500、1600、1700轉(zhuǎn)/分鐘，優(yōu)選為1600轉(zhuǎn)/分鐘；攬拌時(shí)間可W為0. 5小時(shí)至2小時(shí)，例 如0. 5、1. 0、1. 5或2. 0小時(shí)，優(yōu)選為1. 0小時(shí)。
[0024] 在一些實(shí)施方式中，所述穩(wěn)定劑為有機(jī)改性劑。優(yōu)選的是，W五氧化二饑的重量 計(jì)，所述穩(wěn)定劑的量為3%至6%，例如為3%、4%、5%或6%。更優(yōu)選的是，所述穩(wěn)定劑為 聚乙締化咯燒酬（PVP)，PVP的加入提高了溶膠的粘性，更好地提拉出VzCy疑膠膜，同時(shí)在熱 處理中，分解的PVP有助于V2〇e薄膜的定向排列，降低V2〇e薄膜的結(jié)晶溫度。
[00巧]在一些實(shí)施方式中，在步驟（3)中的所述提拉采用恒溫提拉機(jī)進(jìn)行，并且該提拉 機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下：提拉速度為10微米/秒至500微米/秒（例如為10、20、30、40、50、60、 70、80、90、100、200、300、400或500微米/秒），浸潤(rùn)速度為10微米/秒至500微米/秒 (例如為 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400 或 500 微米 / 秒），浸潤(rùn)時(shí)間為 1秒至100秒（例如為1、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100秒），干燥溫度為20°(：至 60°C(例如為20、30、40、50或60°C)，干燥時(shí)間為1秒至100秒（例如為1、5、10、20、30、 40、50、60、70、80、90或100秒）。恒溫提拉機(jī)在本領(lǐng)域中是已知的，本發(fā)明對(duì)恒溫提拉機(jī)沒(méi) 有特別的限制，例如可W使用由沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司提供的恒溫提拉機(jī)。 陽(yáng)0%] 在一些實(shí)施方式中，所述干燥箱中干燥的干燥時(shí)間溫度為50°C至70°C(例如為 50、60或70°C);干燥時(shí)間為0. 5小時(shí)至2小時(shí)，例如為0. 5、1. 0、1. 5或2. 0小時(shí)，優(yōu)選的 是1.0小時(shí)。
[0027] 本發(fā)明的方法通過(guò)將烙融五氧化二饑導(dǎo)入水中并添加穩(wěn)定劑，制得五氧化二饑 溶膠，并采用提拉法得到非晶五氧化二饑薄膜，然后將凝膠膜在密閉環(huán)境下進(jìn)行熱處理而 得到定向排列的結(jié)晶性五氧化二饑薄膜。由于在密閉環(huán)境下進(jìn)行熱處理，無(wú)需傳統(tǒng)的溶 膠-凝膠法所需要的氧化性氣氛和高達(dá)例如500°C的高溫處理，顯著降低了制備溫度，從而 降低了對(duì)制造設(shè)備的耐高溫性能要求