[發明專利]一種磁控濺射制備鋰電池電極材料FeSe2薄膜的方法

有效

• 申請號: 201510536910.6
• 申請日: 2015-08-27
• 公開（公告）號: CN105112867B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 羊新勝;金榮;蒲小艷;趙勇;魏占濤;張敏
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06;C23C14/58
• 代理公司: 成都博通專利事務所51208
• 代理人: 陳樹明

技術領域

本發明涉及一種制備鋰電池電極材料FeSe₂薄膜的方法，尤其涉及磁控濺射法制備鋰電池電極材料FeSe₂薄膜的方法。

背景技術

鋰電池作為一種新型綠色電源具有體積和質量比能量高、平均輸出電壓高、可大電流放電、自放電率小、放電時間長、充電效率高、工作溫度范圍寬、少污染、殘留容量測試方便等優點。除此之外，鋰離子電池可以根據不同用電器件對電源輸出性能的要求,選配合適的正極材料、負極材料、電解質以及裝配工藝進行相應的電源性能設計和外觀尺寸設計, 鋰離子電池的優越性和可設計性正是基于鋰離子電池材料的性質來進行的。

FeSe₂半導體材料因具有較窄的禁帶寬度、高的電子電導率從而在鋰電池電極材料方面具有很重要的研究意義。如何通過開發新的合成反應，簡化制備過程，改善反應條件來實現這些硒化物納米材料的合成并控制其形貌，增加產物的穩定性，提高其化學性能，一直是近幾年來研究的重點。近年來，常用的制備FeSe₂薄膜的方法是電化學沉積法和脈沖激光沉積法。電化學沉積是指在電場的作用下，在一定的電解質溶液中由陰極和陽極構成回路，通過發生氧化還原反應，使溶液中的離子沉積到陰極或陽極表面上，從而得到所需要的薄膜。由于溶液中離子種類多，且化學反應速率不易控制導致沉積的薄膜具有成分不純、與基底附著力較差、結晶性不好等缺點，并且在制備過程中還會帶來難處理的廢物廢水等問題，易污染環境。脈沖激光沉積是將激光聚焦于靶材上一個較小的面積，利用激光的高能量密度將部分靶材料蒸發甚至電離，使其能夠脫離靶材而向基底運動，進而在基底上沉積形成薄膜的一種方式。這種方法存在以下幾個缺點：1)激光聚焦范圍小，難以制備大面積薄膜；2)激光能量很高易將空氣電離，因此對制備過程中的真空度要求很高；3)該方法對激光的要求很高，導致制備設備昂貴，成本高；4)該方法需要用到激光，能量消耗大，進一步增加了成本。

發明內容

本發明的目的是提供一種磁控濺射制備鋰電池電極材料FeSe₂薄膜的方法。該方法可制備大面積的性能良好的FeSe₂薄膜，制備過程簡單，能耗小，成本低，效率高，可重復性好，適合于工業化生產。

本發明實現其發明目的所采用的技術方案是，一種磁控濺射制備鋰電池電極材料FeSe₂薄膜的方法，包括以下步驟:

a、濺射準備：選取硅基片作為磁控濺射的襯底，選取純度為99.99％的FeSe靶材作為磁控濺射的濺射靶材，清洗硅基片；然后分別將清洗好的硅基片和FeSe靶材安裝于磁控濺射室內的相應位置，并調整FeSe靶材到硅基片的距離為5-7cm；

b、濺射沉積：將真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4Pa，再通入氬氣作為工作氣體，調節濺射氣壓、濺射功率、襯底溫度，經過一定時間的濺射在硅基片上沉積薄膜；

c、后退火處理：將b步所得的沉積薄膜的硅基片和粒徑為1mm-1.5mm的硒粒球一起封入氣壓小于1×10^-2Pa的真空石英管中，然后將石英管置于管式爐中，在氬氣保護氣氛下進行后退火處理，即得FeSe₂薄膜。

本發明的原理是：在步驟b濺射沉積的過程中，由于在相同能量的氬離子轟擊作用下，重離子的濺射產額比輕離子要大，因此得到沉積薄膜中Se與Fe的原子比大于1:1，此時的薄膜為非晶態的；步驟c中將沉積薄膜的硅基片和硒粒球一起封入真空石英管中進行后退火處理，即在富Se環境中進行后退火處理，由Fe-Se相圖可知，Se的含量較高時可形成 FeSe₂化合物，后退火處理使原子重新排列，最終得到了結晶良好的FeSe₂薄膜。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

一、通過磁控濺射的方法在基底上沉積薄膜，再通過特定條件下的后退火處理進一步得到結晶良好的FeSe₂薄膜；磁控濺射效率高，重復性好，可制備大面積、均勻、純度高、與基片間的附著力強的薄膜；且該方法可通過控制濺射時間控制薄膜厚度。

二、本發明最高的真空要求僅為10^-4Pa數量級，所需的設備為常用的磁控濺射設備和管式爐，制備成本低，可重復性好，適合于工業化生產。

進一步，本發明所述步驟a中清洗硅基片的具體操作是：將硅基片依次在丙酮、乙醇、去離子水中進行10-20min的超聲清洗，然后用熱氮氣干燥。