[發明專利]一種ZnO/VO2復合熱相變材料及制備方法

有效

• 申請號: 201410271430.7
• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN104032372A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 尹海宏;王志亮;宋長青;陳云;施敏;張雪鋒;朱友華
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B29/62;C30B28/14;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 吳靜安

技術領域

本發明涉及半導體材料、光電子材料、相變型材料與器件技術領域，具體地說涉及一種生長在氧化鋁襯底上周期性排列的一種ZnO/VO₂復合納米材料及其制備方法。

背景技術

單斜晶結構的VO₂是一種熱致相變型材料，當溫度低于68℃時,VO₂處于半導體態，為單斜晶系結構；當溫度高于68℃時，VO₂轉變為金屬態，具有四方金紅石結構，而且相變非常迅速。伴隨著晶系結構的變化,電阻率、磁化率、光透射率和反射率都產生突變。這些性質使得VO₂成為一種有廣泛應用前景的光電轉換材料、光存儲、激光保護和智能窗材料。目前，水熱法和氣相沉積法是用來制備VO₂納米結構的主要方法，水熱法制備出的VO₂納米結構雖形貌較豐富，但雜質較多，排列不規律，且沒有金屬-半導體相變特性，想得到相變型VO₂還必須經過高溫熱轉化。氣相沉積法能夠直接合成相變型VO₂納米結構，但由于VO₂納米結構的生長并非典型的氣化-成核-生長的VLS模式，而是有很多中間相參與的熔融生長過程，因此往往需要高溫環境(800℃～1100℃)，且得到的產物往往形貌單一(多為一維線狀納米結構)，平行襯底表面生長，難以從襯底上剝離和大量制備，為后續的溫控型器件的后續工藝處理造成了困難，也很難被應用到納米光電子器件上去。

發明內容

本發明的目的在于提供一種ZnO/VO₂復合相變材料及其制備方法，所述的方法及獲得的所述相變材料能在平行襯底表面生長，且制備過程無需高溫環境，同時其中VO₂納米結構形貌豐富、排列規律、易于剝離和大量制備。

為實現上述目的，所述熱相變材料具有：依附在氧化鋁襯底上并具有呈周期性排列分布的單元，每個單元是由包覆VO₂多晶殼層的若干ZnO四角棒構成的單晶納米結構，相變溫度為71.2℃，具有可逆的金屬—絕緣相變特性。

一個優選的呈周期性排列分布的單元是按矩陣方式排列分布，其行間距為600μm，列間距為200μm。

進一步的，每一所述單元呈圓角矩形，長度為400μm，寬度為150μm。

進一步的，所述單晶納米結構的ZnO中心核的直徑為約550～650nm，VO₂多晶殼層的厚度為80～120nm，每個棒的長度為3～5μm，棒與棒之間的夾角呈109°。

進一步的，所述ZnO四角棒的棒核空間群為P63mc(186)，晶格常量為生長方向為[0001]晶向。

進一步的，所述VO2多晶殼層室溫下呈單斜晶相，空間群為P21/c，晶格常量為

上述熱相變材料的制備方法，包括如下步驟：

第一步，將ZnO粉末和石墨粉按1:1的質量比例進行混合攪拌，裝入石英舟，放置于水平管式爐爐管的中心位置，該爐中置有氧化鋁襯底，控制襯底與石英舟的距離在8～15cm上，所述襯底上覆蓋一片設有周期性排列分布孔的不銹鋼模板；

第二步，爐管中心的溫度以8～12℃/min速率升溫至290～310℃，并保持15～25分鐘，然后自然冷卻到180℃；再通入純度和流量分別為98.5％～99.999％和400～520sccm的氮氣作為載氣，以10～20℃/min的速率升溫使爐腔中心溫度至475～485C，保持35～45分鐘，自然冷卻到室溫，取出氧化鋁襯底，最終在所述襯底上沉積得到純凈的ZnO白色產物；

第三步，用乙酰丙酮氧釩為釩原料，并放入化學氣相沉積系統中的沉積爐腔前端，控制放置區域的溫度在200℃～250℃，將沉積有ZnO白色產物的襯底作為模板，放入所述沉積爐腔中間位置，接著排除所述系統中的氧氣；然后將純度均為99.999％、體積比為8:92～11:89氧氣和氮氣的混合，形成載氣，并將該載氣以40～65sccm流量通入所述系統中，控制ZnO模板所在位置的溫度在490℃～510℃之間，加熱25～35分鐘后，關停系統，自然降溫，襯底上的產物由白色變為黑灰色；

第四步，移除所述不銹鋼金屬模板，最終在所述襯底上得到周期性排列的ZnO/VO₂復合熱相變材料。

對于上述步驟中的第三步，其中加熱時間的長短可控制VO₂多晶殼層的厚度。

一個優選的模板上周期性排列分布孔，可按矩陣排列分布，所述孔的行間距為600μm，列間距為200μm。