一種粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米SiO₂薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米SiO2薄膜的方法，該方法包括以下步驟：以無水乙醇、正硅酸乙酯、去離子水配制膠體為基礎(chǔ)，添加納米二氧化硅粉體起增強(qiáng)膠體強(qiáng)度和薄膜中SiO2含量，添加硅酸鈉提高膠體與粉體結(jié)合，成功制備了多孔納米SiO2薄膜。X?射線衍射證實(shí)所制備的薄膜為無定形，其中SiO2晶粒粒徑大小約為13nm。顯微觀察證實(shí)制備的薄膜完整均勻，沒有開裂破壞；孔洞分布均勻，大部分孔洞尺寸約為3?5μm，少部分的孔洞尺寸不到2μm。
【專利說明】
一種粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米s i 〇2薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[00〇1 ]本發(fā)明屬于制備Si〇2薄膜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種Si〇2薄膜的制備方法，具體地說，涉及一種粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米Si02薄膜的方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]Si02薄膜具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、穩(wěn)定性好、光透過率高、抗侵蝕能力強(qiáng)以及良好的介電性質(zhì)，其在半導(dǎo)體、微波、光電子、光學(xué)器件以及薄膜傳感器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。Si02薄膜可以通過化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、熱氧化法、溶膠凝膠法、液相沉積法等方法制備。其中溶膠凝膠法簡(jiǎn)單易行，可在較低溫度下制備高純度、高均勻性的多孔薄膜。但目前所報(bào)道的單一采用溶膠凝膠的方法由于高溫中揮發(fā)量大、收縮大，容易使薄膜破損且孔隙較大。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)存在的單一采用溶膠凝膠的方法中高溫?fù)]發(fā)量大、收縮大，容易使薄膜破損且孔隙較大的缺陷，提供一種粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米 Si02薄膜的方法，該方法在溶膠中添加納米二氧化硅粉體和硅酸鈉，可降低溶膠高溫收縮、 提高Si02的含量、強(qiáng)度和結(jié)合。
[0004]其具體技術(shù)方案為:
[0005]—種粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米Si02薄膜的方法，包括以下步驟:
[0006]在燒杯中按以下配比加入:100g去離子水中加入100g無水乙醇，并在溫控磁力攪拌機(jī)上60°C攪拌，然后加入25g納米二氧化硅粉體、30g正硅酸乙酯和5g硅酸鈉，待納米二氧化硅粉體和硅酸鈉完全融入變?yōu)橥该饕后w后緩慢滴加氨水，直至混合液體變?yōu)檎吵砟z狀， 密封燒杯并60°C繼續(xù)攪拌24h，之后靜止2h即得到所需的溶膠；
[0007]將載玻片在無水乙醇中超聲清洗干凈并在60°C烘干，然后將制好的溶膠均勻涂敷在載玻片上，其厚度約為〇.5-lmm，然后將涂敷好的試樣在濕熱空氣中緩慢加熱到110°C保溫30min，之后以10°C/min加熱到450°C處理20min，得到多孔納米Si〇2薄膜。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0009]本發(fā)明以無水乙醇、正硅酸乙酯、去離子水配制膠體為基礎(chǔ)，添加納米二氧化硅粉體起增強(qiáng)膠體強(qiáng)度和薄膜中Si02含量，添加硅酸鈉提高膠體與粉體結(jié)合，成功制備了多孔納米Si〇2薄膜。X-射線衍射證實(shí)所制備的薄膜為無定形，其中Si〇2晶粒粒徑大小約為13nm。 顯微觀察證實(shí)制備的薄膜完整均勻，沒有開裂破壞;孔洞分布均勻，大部分孔洞尺寸約為3-5wii，少部分的孔洞尺寸不到2wii?！靖綀D說明】
[0010] 圖1是制備的樣品在熱處理后的X射線衍射圖譜；
[0011]圖2是樣品的光學(xué)顯微照片，其中圖2(a)是低倍(50X)放大照片，圖2(b)是較高倍(500X)放大照片?！揪唧w實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
[0013]實(shí)施例1粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米Si02薄膜的方法
[0014]本發(fā)明所用原料包括硅酸鈉(郴州三城化工有限公司)、無水乙醇(西安三浦化學(xué)試劑有限公司，分析純)、正硅酸乙酯(南京化學(xué)試劑股份有限公司)、氨水(廣東光華科技股份有限公司)、納米二氧化硅粉體(德固賽AER0SIL 200，平均粒徑12nm)、去離子水等。[〇〇15] 一種粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米Si02薄膜的方法，包括以下步驟:[〇〇16] 在燒杯中按以下配比加入:100g去離子水中加入100g無水乙醇，并在溫控磁力攪拌機(jī)上60°C攪拌，然后加入25g納米二氧化硅粉體、30g正硅酸乙酯和5g硅酸鈉，待納米二氧化硅粉體和硅酸鈉完全融入變?yōu)橥该饕后w后緩慢滴加氨水，直至混合液體變?yōu)檎吵砟z狀， 密封燒杯并60°C繼續(xù)攪拌24h，之后靜止2h即得到所需的溶膠；
[0017]將載玻片在無水乙醇中超聲清洗干凈并在60°C烘干，然后將制好的溶膠均勻涂敷在載玻片上，其厚度約為〇.5-lmm，然后將涂敷好的試樣在濕熱空氣中緩慢加熱到110°C保溫30min，之后以10°C/min加熱到450°C處理20min，得到多孔納米Si〇2薄膜。[〇〇18]實(shí)施例2樣品測(cè)試
[0019]采用德國(guó)BRUKER，AXS公司的D8ADVANCE A25X-射線衍射儀對(duì)制備的樣品進(jìn)行物相分析。本發(fā)明中加速電壓為40kV，電流為40mA，衍射掃描角度范圍20 = 10-70°，步長(zhǎng)0.02°， 掃描速度〇.〇l°/s暴露時(shí)間2s。采用ZEISS Ax1 Scope A1研究級(jí)正置材料顯微鏡(Light Microscopes for Materials Research)觀測(cè)薄膜的微觀形貌。
[0020]圖1給出了本發(fā)明所用的方法制備的樣品在熱處理后的X-射線衍射圖譜?？梢钥粗罥J，樣品衍射圖譜中能夠觀測(cè)到明顯的Si02的衍射峰，特別是在22.6°附近有明顯的衍射非晶包，表明所制備的薄膜為無定形。同時(shí)，根據(jù)衍射圖譜分析計(jì)算得出此時(shí)得到的Si02晶粒粒徑大小約為13nm。但衍射圖譜看樣品中檢測(cè)不到Na2Si04衍射峰。由于本文所用的填充粉體為平均粒徑為9nm的Si02粉;溶膠凝膠過程本身無微米級(jí)的顆粒，而且后續(xù)熱處理為450 °C處理20min，在這樣的處理下溶膠凝膠產(chǎn)生的Si02顆粒往往也是納米級(jí)的。因此，本方法所制備的樣品是納米級(jí)的，衍射圖譜出現(xiàn)明顯的非晶包。在水中，一方面硅酸鈉會(huì)發(fā)生溶解形成水玻璃，增強(qiáng)粉體和膠粒之間的粘結(jié)；另一方面，由于本工作原料中Na2Si04含量較少 (重量占溶膠的1.92% )，而且娃酸鈉會(huì)水解產(chǎn)生Si〇2和NaOH，使溶液呈堿性。因此，娃酸鈉可以發(fā)揮粘結(jié)作用和部分轉(zhuǎn)化為Si02,并且衍射分析檢測(cè)不到Na2Si04衍射峰。
[0021]圖2給出了本發(fā)明所用的方法制備的樣品的數(shù)字光學(xué)顯微照片。從圖中可以看出本方法所制備的薄膜完整均勻，沒有開裂破壞。從圖2(a)低倍(50X)放大照片中可以看出， 薄膜中均勻的分布大量微小的孔洞。從圖2(b)較高倍(500X)放大照片中可以看出，明亮部分對(duì)應(yīng)的Si02非常密實(shí)，而其中的大部分孔洞尺寸約為3-5mi，少部分的孔洞尺寸不到2mi。 溶膠在加熱過程中，其中的水分和乙醇等會(huì)揮發(fā)，致使凝膠中產(chǎn)生大量的孔洞;但同時(shí)也往往會(huì)因?yàn)閾]發(fā)過快，導(dǎo)致薄膜開裂損壞。硅酸鈉的水溶液，即水玻璃具有非常良好的粘結(jié)性能，可以非常有效改善膠粒之間的結(jié)合強(qiáng)度;同時(shí)本文添加的大量納米Si02粉體，會(huì)填充到膠體骨架中，起到一定的增強(qiáng)作用，阻礙膠體的收縮破壞；另一方面，本文所用原料配比中揮發(fā)組成較多，保溫時(shí)間也比較長(zhǎng)，利于產(chǎn)生大量的較大尺寸的孔洞。因此，本文制備的多孔薄膜完整均勻。
[0022]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米Si〇2薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟: 在燒杯中按以下配比加入:l〇〇g去離子水中加入l〇〇g無水乙醇，并在溫控磁力攪拌機(jī) 上60 °C攪拌，然后加入25g納米二氧化硅粉體、30g正硅酸乙酯和5g硅酸鈉，待納米二氧化硅 粉體和硅酸鈉完全融入變?yōu)橥该饕后w后緩慢滴加氨水，直至混合液體變?yōu)檎吵砟z狀，密封 燒杯并60°C繼續(xù)攪拌24h，之后靜止2h即得到所需的溶膠；將載玻片在無水乙醇中超聲清洗干凈并在60°C烘干，然后將制好的溶膠均勻涂敷在載 玻片上，其厚度為0.5-lmm，然后將涂敷好的試樣在濕熱空氣中緩慢加熱到110°C保溫 30min，之后以10°C/min加熱到450°C處理20min，得到多孔納米Si〇2薄膜。
【文檔編號(hào)】C03C17/25GK105967530SQ201610305757
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】費(fèi)云龍, 張根廣, 蘇雨, 劇璐瑜
【申請(qǐng)人】西北農(nóng)林科技大學(xué)