[發明專利]一種制備沿c軸取向生長的五氧化二釩薄膜的方法

有效

• 申請號: 200910192094.6
• 申請日: 2009-09-08
• 公開（公告）號: CN101691658A
• 公開（公告）日: 2010-04-07
• 發明（設計）人: 徐剛;甄恩明;徐雪青;苗蕾
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: C23C20/08
• 分類號: C23C20/08
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 莫瑤江

技術領域

本發明涉及化學化工技術領域，尤其涉及一種制備沿c軸生長的五氧化二釩薄膜的方法。

背景技術

釩氧化合物具有廣泛的用途，其中五氧化二釩晶體具有層狀結構，易沿(001)面裂開，從而將里面最強的釩氧鍵暴露出來，該鍵比較活潑，氧原子易脫出而剩下陰離子空位，容易嵌入陽離子。由于該性質，五氧化二釩(V₂O₅)薄膜可用于電致變色、鋰電池的電極材料、熱激發電子開關、氣濕敏傳感器等方面，引起人們的極大興趣。在這些應用中，五氧化二釩薄膜主要作為離子儲存膜，其性能的好壞對器件的性能影響很大。研究表明，沿著c軸生長的、具有層狀結構的五氧化二釩薄膜的釋放和儲存離子的能力是最強的。以作為鋰電池的陰極為例，五氧化二釩薄膜具有高能量密度、高充放電容量和易于加工的特點，具有單一c軸取向、層狀的五氧化二釩薄膜有利于鋰離子的嵌入和脫嵌。因此尋找工藝簡單的、沿c軸取向生長性好的五氧化二釩薄膜的制備方法意義重大。

已公開報道的制備沿c軸高度取向生長的五氧化二釩薄膜的方法主要有激光脈沖沉積法、電泳沉積法和溶膠-凝膠法。前一種方法設備復雜，工藝不容易控制，所制備的樣品沿c軸取向生長不明顯，后兩種方法不能很好的控制晶粒尺寸，生長取向雜亂。

本發明以溶膠-凝膠法為基礎，選用原料二乙酰丙酮氧釩[VO(C₅H₇O₂)₂]作為前驅物，與傳統的三異丙醇氧釩、五氧化二釩粉末相比，具有毒性小、成本低、形成的溶膠比較穩定等優點。將VO(C₅H₇O₂)₂形成的溶膠通過先提拉或旋涂成膜，然后再熱處理，即可在玻璃襯底上制備出高c軸取向生長的五氧化二釩薄膜。

發明內容

本發明針對現有制備方法設備和工藝復雜、薄膜生長取向性差的缺點，提出一種設備及工藝簡單的制備c軸取向生長的五氧化二釩薄膜的方法。

本發明是通過下列步驟實現的：

(1)以二乙酰丙酮氧釩為原料，配制成溶膠；

(2)以此溶膠為涂覆液，在清洗干凈的襯底材料上，采用提拉涂膜法或者旋涂法成膜；

(3)在含氧氣氛中進行熱處理。

制備二乙酰丙酮氧釩溶膠的步驟為：將二乙酰丙酮氧釩與無水乙醇或無水甲醇混合，攪拌4-10小時，靜置1-60天使其陳化，得到深紅棕色的溶膠，陳化時間最好為14-16天，陳化時間短，成膜不均勻，陳化時間太長，則粘度太大。溶膠濃度在0.1-0.7mol/L之間，以0.125mol/L最佳。

襯底材料可以是玻璃，也可以是能耐受550℃的金屬或陶瓷材料。襯底材料必須清洗干凈。以玻璃襯底為例對工藝過程加以說明。成膜前，將玻璃襯底清洗干凈，然后用熱風吹干。為防止玻璃襯底中的雜質粒子在熱處理過程中擴散到五氧化二釩薄膜之中，成膜之前最好在玻璃襯底上先預鍍一層二氧化硅阻擋層。

所述步驟(2)中的成膜方法為：

可采用浸漬提拉法成膜，即將襯底材料浸漬在二乙酰丙酮氧釩溶膠中，勻速提拉出來，提拉速度為1-10厘米/分鐘，然后在80℃烘箱中烘干。

也可以采用旋轉涂膜法成膜，即將襯底材料平放在水平轉盤上的中心，滴加溶膠，然后使轉盤旋轉，旋轉速度為1000～3000轉/分鐘，使溶膠在離心力的作用下平鋪在處理過的襯底上，將得到的濕凝膠放在80℃的烘箱中烘干。

重復以上的成膜過程可使薄膜達到需要的厚度。提拉法成膜的次數在10-20次之間，旋涂法涂膜的次數在2-5次之間。對于濃度為0.125mol/L的溶膠，最佳的提拉成膜次數是15次，旋轉涂膜次數是4次。得到的薄膜厚度約100-300nm。涂膜次數過少則膜層較薄(小于50nm)，結晶性不好，次數過多，則太厚(大于400nm)，會影響光學性質。

所述步驟(3)中的熱處理步驟為：

將涂覆有二乙酰丙酮氧釩溶膠的玻璃，在空氣或者氧分壓不低于0.1Pa的氮氣、氬氣等惰性氣體中進行熱處理，熱處理溫度為350-550℃，保溫時間為30分鐘～1小時，自然冷卻得到五氧化二釩薄膜。在空氣中得到薄膜結晶性能好，但附著力差些；在氧分壓不低于0.1Pa的氮氣、氬氣等惰性氣體中進行熱處理，薄膜結晶性能好，且附著力強。如在無氧或氧分壓不低于0.1Pa的環境下進行熱處理，將不利于晶態五氧化二釩薄膜的生成，極有可能形成低價態或非晶態的釩氧化物。