一種二氧化釩納米顆粒膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及智能薄膜材料領(lǐng)域，具體涉及一種二氧化釩納米顆粒膜的制備方法。本發(fā)明利用磁控濺射方法制備金屬釩膜，隨后將金屬釩膜放入通有氮氣的敞口管式爐中進行高溫退火處理，保溫一定時間后快速取出冷卻。該方法無需復(fù)雜的真空熱處理設(shè)備，通過簡單的氧化反應(yīng)，即可獲得所需的二氧化釩薄膜。其過程工藝簡單可控，所制備的薄膜晶粒尺寸均勻并且細小，相變特性明顯，為二氧化釩薄膜材料提供了一種低成本、短周期、可工業(yè)化實施的新技術(shù)。
【專利說明】
一種二氧化釩納米顆粒膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及智能薄膜材料領(lǐng)域，具體涉及一種二氧化釩納米顆粒膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化釩是一種智能薄膜材料，在溫度、電流或者磁場等參數(shù)調(diào)控下，會發(fā)生快速的金屬-絕緣體相變。隨著相變的發(fā)生，材料的晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，同時伴隨電阻率、磁化率、透射率和反射率等諸多性質(zhì)都產(chǎn)生突變。這一特性使得二氧化釩薄膜成為一種有廣泛應(yīng)用前景的智能材料，在紅外探測、鋰電池電極、激光保護和智能窗等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。
[0003]目前，研究者已經(jīng)采用了多種途徑合成了二氧化釩薄膜材料，其中反應(yīng)磁控濺射法是應(yīng)用最廣的一種制備手段。例如華中科技大學(xué)的陳四海小組，通過調(diào)節(jié)濺射設(shè)備內(nèi)的氧氣和氬氣混合氣的比例，制備出了具有良好相變特性的二氧化釩薄膜(S.H.Chen，H.Ma，X.J.Yi,T.X1ng,H.C.Wang,and C.J.Ke，"Smart V02thin film for protect1n ofsensitive infrared detectors from strong laser radiat1n"，Sens.Actuators A，2004,115:28-31)。但是該工藝方法對混合氣的比例控制以及設(shè)備操作要求很高，這會直接導(dǎo)致不同批次制備的材料的性能重復(fù)性較差，同時該方法需要利用真空退火設(shè)備進行后續(xù)退火，這也大大增加了制備成本。利用熱氧化法，即采用磁控濺射制備金屬釩膜，隨后進行熱氧化處理制備二氧化釩薄膜是一種新型的制備路線，相對于傳統(tǒng)的混合氣條件下直接濺射成膜，該工藝濺射工藝更加簡單，樣品的性能穩(wěn)定性高。
[0004]目前熱氧化法制備二氧化釩薄膜大多采用400?450°C溫度范圍進行熱處理制備。然而上述方法也存在一些局限性。首先，熱氧化法需要在真空爐中進行，設(shè)備造價昂貴，并且需要維護擴散栗以保證較高的真空度;其次，該方法還需要精確控制惰性氣體和氧氣的比例，從而使制備出的二氧化釩薄膜保持精確的化學(xué)計量比；最后，在這種較低的熱處理溫度下，薄膜內(nèi)部的晶粒尺寸不均勻，同時晶內(nèi)缺陷較多，從而大幅削弱了薄膜的相轉(zhuǎn)變性能。同時，無論是采用傳統(tǒng)的反應(yīng)磁控濺射法，還是上述描述的熱氧化法，由于氧化釩薄膜的易氧化特性，熱處理溫度高于500 °C就會發(fā)生快速氧化，生成過度氧化的五氧化二釩薄膜，從而使薄膜喪失功能特性。因此，如果能通過調(diào)整熱處理工藝，使得薄膜的后續(xù)熱處理溫度升高，無疑會大幅提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，進而提升其相變響應(yīng)能力，對其工業(yè)化應(yīng)用起到重要推動作用。如何使金屬釩薄膜的熱氧化處理溫度提高到500°C以上，并且實現(xiàn)純化學(xué)計量比的二氧化釩薄膜一直是相關(guān)領(lǐng)域的一個技術(shù)難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決已有的二氧化釩薄膜制備工藝中存在的問題，本發(fā)明提供了一種二氧化鑰i內(nèi)米顆粒膜的制備工藝。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，
[0007]I)以金屬f凡革El作為派射源，在氬氣條件下在潔凈襯底上派射100?300nm厚的金屬釩膜，襯底溫度保持在200 °C ;
[0008]2)將一端敞口的管式退火爐進行升溫，到500?570°C范圍時進行保溫，從爐管的非敞口端通入氮氣，氮氣流量保持在2L/min ；
[0009]3)將制備的金屬釩膜放入石英坩禍中，之后將坩禍推入上述管式退火爐中進行退火，退火時間為5?lOmin，將坩禍拉出在空氣下冷卻，得到二氧化釩納米顆粒膜。
[0010]利用本發(fā)明方法制備的二氧化釩納米顆粒膜具有如下優(yōu)點:
[0011]1.擺脫了熱氧化法對昂貴的真空熱處理爐設(shè)備的依賴，不需要真空栗，利用普通的管式退火爐就可以簡單快捷地制備出二氧化釩納米顆粒膜。
[0012]2.不需要精確控制惰性氣體和氧氣的比例，只需惰性氣體就可以制備出性能優(yōu)異的二氧化釩薄膜，熱處理時間短，成本低廉。
[0013]3.可以實現(xiàn)500°C以上的薄膜退火處理，制備的二氧化釩薄膜的晶化度高，晶粒尺寸均勻并且小于一百納米，相變特性明顯，可重復(fù)性高。
[0014]4.該方法工藝參數(shù)簡單，對襯底材料和薄膜沉積尺寸無特殊要求，可方便實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
[0015]本發(fā)明開發(fā)了一種制備二氧化釩納米顆粒膜的制備工藝。通過快速的高溫氧化處理，即可獲得晶粒尺寸均勻并且細小的二氧化釩薄膜材料。該方法過程工藝簡單可控，為二氧化釩薄膜材料提供了一種低成本、短周期、可工業(yè)化實施的新技術(shù)。
【附圖說明】
[0016]圖1為實施例1中制備的二氧化釩納米顆粒膜的XRD圖；
[0017]圖2為實施例1中制備的二氧化釩納米顆粒膜的SEM圖；
[0018]圖3為實施例2中制備的二氧化釩納米顆粒膜的XRD圖；
[0019]圖4為實施例2中制備的二氧化釩納米顆粒膜的SEM圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合具體實施例進一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。
[0021]實施例1
[0022]I)以金屬f凡革E作為派射源，在氬氣條件下在潔凈襯底上派射500nm厚的金屬鑰J莫，襯底溫度保持在200 °C ;
[0023]2)將一端敞口的管式退火爐進行升溫，到500°C時進行保溫，從爐管的非敞口端通入氮氣，氮氣流量保持在2L/min ；
[0024]3)將制備的金屬釩膜放入石英坩禍中，之后將坩禍推入上述管式退火爐中進行退火，退火時間為1min，到時后拉出坩禍進行快速空氣下冷卻。
[0025]圖1為實施例1中制備的二氧化釩納米顆粒膜的XRD圖，可以看出薄膜中只含有單一的二氧化銀相，無其它雜質(zhì)相生成。圖2為實施例1中制備的二氧化f凡納米顆粒膜的SEM圖。從圖中可以看到，所制備出的薄膜表面平整致密，納米顆粒膜的晶粒尺寸更加均勻，尺寸在幾十納米到一百納米之間變化。通過變溫拉曼譜以及變溫電阻測試等手段對上述薄膜進行表征，其結(jié)果證實了實施例1中制備的二氧化釩納米顆粒膜具有良好的變溫相變特性。利用實施例1中所述工藝之所以能夠獲得均勻細晶二氧化釩納米顆粒膜，主要原因分析為:爐管在氮氣的保護下，極大降低了內(nèi)部氧氣的含量，在微氧的環(huán)境下，金屬釩膜的熱處理溫度可以提高到更高溫度而不會發(fā)生過度氧化。而另一方面，由于熱處理的時間較短，晶粒在生長過程中的狀態(tài)更容易保持一致，并且很難長大成大尺寸，所以最終形成了細晶二氧化釩納米顆粒膜。由于在這種工藝下，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到了明顯提高，所以提高了二氧化釩薄膜的相變特性。
[0026]實施例2
[0027]I)以金屬f凡革E作為派射源，在氬氣條件下在潔凈襯底上派射200nm厚的金屬鑰J莫，襯底溫度保持在200 °C ;
[0028]2)將一端敞口的管式退火爐進行升溫，到570°C時進行保溫，從爐管的非敞口端通入氮氣，氮氣流量保持在2L/min ；
[0029]3)將制備的金屬釩膜放入石英坩禍中，之后將坩禍推入上述管式退火爐中進行退火，退火時間為5min，到時后拉出坩禍進行快速空氣下冷卻。
[0030]圖3為實施例2中制備的二氧化釩納米顆粒膜的XRD圖，可以看出薄膜中只含有單一的二氧化銀相，無其它雜質(zhì)相生成。圖4為實施例2中制備的二氧化f凡納米顆粒膜的SEM圖。從圖中可以看到，薄膜表面平整致密，納米顆粒膜的晶粒尺寸更加均勻，尺寸在幾十納米到一百納米之間變化。通過變溫拉曼譜以及變溫電阻測試等手段對薄膜進行表征，其結(jié)果證實了實施例2中制備的二氧化釩納米顆粒膜具有良好的變溫相變特性。其形成機制同實施例1中所述。
【主權(quán)項】
1.一種二氧化銀納米顆粒膜的制備方法，其特征在于，該工藝方法包括下述步驟: 1)以金屬銀革E作為派射源，在氬氣條件下在潔凈襯底上派射100?300nm厚的金屬隹凡膜，襯底溫度保持在200 °C; 2)將一端敞口的管式退火爐進行升溫，到500?570°C范圍時進行保溫，從爐管的非敞口端通入氮氣，氮氣流量保持在2L/min ； 3)將制備的金屬釩膜放入石英坩禍中，之后將坩禍推入上述管式退火爐中進行退火，退火時間為5?lOmin，將坩禍拉出在空氣下冷卻，得到二氧化釩納米顆粒膜。
【文檔編號】C23C14/34GK106048532SQ201610436708
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】田野, 羅飛, 劉大博, 祁洪飛, 滕樂金
【申請人】中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院