一種用熱氧化法制備三氧化鎢納米片的方法技術

本發明專利技術公開了一種用熱氧化法制備三氧化鎢納米片的方法。本發明專利技術不采用任何催化劑，直接將金屬鎢原料加熱至一定溫度并保溫，通過通入N2、Ar等惰性氣體，控制氧化環境中的氧氣含量低于10％。保溫結束后自然冷卻或通保護氣體降溫，即可得到三氧化鎢納米片。通過采用定域制備的金屬鎢薄膜，本發明專利技術可以實現定域制備三氧化鎢納米片。本方法可以在較低溫度下不使用任何催化劑，在各種襯底上制備出三氧化鎢納米片。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用熱氧化法制備三氧化鎢(WO3)納米片的方法，屬于納米材料領域。
技術介紹
WO3是一種重要的半導體材料，在氣敏、催化、光電轉換、場發射等領域有重要的應用。具有二維結構的三氧化鎢納米片，因為其具有獨特的光電特性，近年來越來越受到人們的關注。目前，二維結構WO3納米片的制備方法主要包括化學合成、化學剝離或使用催化劑熱氧化方法。其中化學合成的方法的報道較多。例如，陳德良等人專利技術了一種利用水熱法制備三氧化鎢納米片的方法(中國專利技術專利ZL200710054544.6)，該方法以層狀結構鎢酸 (H2W2O7 · XH2O)和烷基胺(CH3 (CH2)nNH2)為原料，經過磁力攪拌反應和烘烤制備得到面積為(100-800) nmX (100-800) nm,表觀厚度為 5_40nm 的 WO3 納米片。Jinmin Wang 等人用 W 粉為原料，與H2O2化學合成的方法制備了 WO3的納米片,納米片的尺寸約為五百納米 Mollie RWaller 等人米用化學剝離Bi2W2O9的方法制作了單晶WO3片狀結構 0在用熱氧化方法制備納米片方面，目前只有北京大學的Jing Xiao等人報道。他們使用碘化鉀作為催化劑，通過熱氧化在塊體的鎢上生長出WO3納米片。在上述的制備方法中，利用化學方法制備一般都需要經過液相的反應，容易引入雜質。而采用催化氧化法，催化劑的存在也會引入雜質。而且目前的方法所制備的WO3納米片的尺寸較小，長和寬一般不超過幾百納米。
技術實現思路
本專利技術提出了一種不采用任何催化劑，直接熱氧化金屬鎢制備氧化鎢納米片的方法。該方法具有簡便，可控性好特點，而且可以實現定域制備，所制備的氧化鎢納米片的面積較大。本專利技術所述的制備WO3納米片的方法的原料為金屬鎢，包括塊體金屬鎢和制備于襯底上的金屬鎢薄膜。當以制備于襯底上的金屬鎢薄膜作為原料時，用熱氧化法制備三氧化鎢納米片的方法其制備步驟如下I)清洗襯底；2)在襯底上鍍金屬鎢薄膜；3)將步驟2得到的樣品放入可以加熱的腔室中，往腔室內通入N2，或惰性氣體，或氧氣與N2，或氧氣與惰性氣體的混合氣體，使腔室內氧氣濃度降低至小于10%，所述惰性氣體優選Ar氣； 4)腔室內溫度升高至400°C ^SOO0C，并保溫，在此過程中，需通入N2或者Ar氣，流量一般比步驟3的小；5)不通氣自然降溫或通惰性氣體降溫，直至室溫。具體來說，步驟2中金屬鎢薄膜的厚度為200ηπΓ2 μ m。優選50(T800nm。步驟3中氧氣濃度優選控制在f 10%。步驟2中可以采用磁控濺射、或電子束蒸發或電鍍方法等進行金屬鎢薄膜的鍍膜。步驟2中當原料是制備于襯底上的金屬鎢薄膜時，金屬鎢薄膜可以整片制備在襯底上，也可以定域制備在襯底上。當采用定域制備時，選用光刻法、掩模法或者絲網印刷法等方式定域制備鎢薄膜圖形。所述的襯底可以選用Si片、或玻璃、或ITO玻璃、或金屬或陶瓷。所述ITO玻璃是指在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎上，利用磁控濺射的方法鍍上一層氧化銦錫(ΙΤ0)膜。步驟3中可采用箱式爐、或管式爐或者熱板對腔室進行加熱。步驟4中的保溫時間為IOmin 5h。優選I 2h。當以塊體金屬鎢為原料時，用熱氧化法制備三氧化鎢納米片的方法其制備步驟如下I)將塊材的金屬鎢放入可以加熱的腔室中，往腔室內通AN2，或惰性氣體，或通入氧氣與N2，或氧氣與惰性氣體的混合氣體，使腔室內氧氣濃度降低至小于10%，所述惰性氣體優選Ar氣；2)腔室內溫度升高至400°C 800°C，并保溫，在此過程中，需通入N2或者Ar氣；3)不通氣自然降溫或通惰性氣體降溫，直至室溫。采用上法時，步驟I可采用箱式爐、或管式爐或者熱板對腔室進行加熱。步驟2中的保溫時間為10mirT5h，優選I 2h。上述步驟中，通入N2或者Ar或其它惰性氣體的目的，主要是為了保持樣品處于氧氣濃度為10%以下的環境，也可以通過抽真空達到此效果。本專利技術提出的制備WO3納米片的方法的原理是，通過控制生長氣氛中的氧氣，控制W膜的熱氧化，熱氧化產生的反應熱提供WO3分子進行快速遷移，生成納米片的結構。氧氣濃度過低則反應熱不足，不能形成較大的納米片，氧氣濃度過高則樣品容易過度氧化，形成不了納米片。因此，通N2或者Ar或者其他惰性氣體應該遵循的原則是，保持環境氧氣濃度在適合的范圍。根據此方法制備得到的WO3納米片可以通過改變退火條件得到具有不同結晶性和晶格缺陷密度的納米片。本專利技術所述的制備WO3納米片的方法無需復雜的微加工工藝，制作方法簡便，且可以通過控制熱氧化時間和溫度、保護氣體流量等參數有效調控樣品的形貌，可控性好。本專利技術制備的WO3納米片可以應用于大面積場發射冷陰極，也可以應用于氣敏、催化、微電子器件、光電轉換器件等領域。附圖說明圖Ia 圖If是采用光刻方法在玻璃襯底上制備W膜圖形陣列的工藝步驟示意圖。其中1.玻璃襯底；2. ITO膜；3.光刻膠；4.W膜;5.冊3納米片。圖2是采用熱氧化法通保護氣體制備WO3納米片的裝置示意圖。其中100.箱式爐；200.樣品；300.加熱板。圖3是采用熱氧化方法制備的WO3納米片的拉曼光譜。圖4a 4b是采用熱氧化方法制備的WO3納米片的低放大倍數SHM圖，其中圖4a表示熱氧化后的W膜點陣形貌；圖4b表示低倍率放大下的W膜點陣WO3納米片生長的均勻性情況。圖5a 5b是采用熱氧化方法制備的WO3納米片的高放大倍數SEM圖，其中圖5a表示WO3納米片在單個定域點上的生長分布和形貌，圖5b反映了高倍率放大下單片WO3納米片的形貌和厚度。圖6a飛b是采用熱氧化方法制備的WO3納米片的 Μ圖，其中圖6a表示WO3納米片在透射電鏡下的形貌像，圖6b表示透射電鏡下觀察到的反映WO3納米片晶格結構的高分 辨像。具體實施例方式為了更清楚地給出上述的通過熱氧化的方法制作WO3納米片的方法，圖I給出了以玻璃為襯底，以定域制備的鎢膜為起始材料制備WO3納米片的步驟。首先清洗玻璃襯底(圖I (a))。在玻璃襯底上鍍上一層ITO薄膜作為導電層(圖I (b))，然后在鍍有ITO薄膜的襯底上涂光刻膠，經過曝光和顯影過程后，襯底上形成了光刻膠圖案(圖I (C))。采用磁控濺射、電子束蒸發等真空鍍膜方法鍍鎢膜(圖I (d))。用有機溶劑如丙酮，將光刻膠溶解，即獲得鎢膜圖案(圖I (e))。將上述樣品放入可以通氣的烘箱內，通入N2或Ar氣等惰性氣體，加熱至40(T80(TC，并保溫10mirT5h，最后自然降溫。降溫過程中可以通保護氣體。經過上述熱氧化過程后，襯底表面會生成氧化鎢納米片(圖I⑴)。圖2是一種熱氧化的方法制作WO3納米片的裝置的示意圖。該裝置是一種可以通氣的箱式烘箱，它有進氣口和排氣口，其它部分密閉。襯底置于烘箱的中部。在制備過程中，通過進氣口通入N2或Ar等惰性氣體，使爐內的氧氣含量降至低于10%。實施例本實施例給出在玻璃襯底上定域制備WO3納米片的詳細過程。首先，分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗玻璃襯底各15分鐘，用氮氣吹干。用磁控濺射在玻璃襯底上鍍上ITO薄膜，薄膜的厚度為200nm ;用旋轉涂膠機，在ITO薄膜上涂覆光刻膠，光刻膠厚度約為I微米，并烘烤，烘烤溫度120°C。采用紫外曝光機透過掩模板對光刻膠進行曝光。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用熱氧化法制備三氧化鎢納米片的方法，其制備步驟如下：1)清洗襯底;2)在襯底上鍍金屬鎢薄膜;3)將步驟2得到的樣品放入可以加熱的腔室中，往腔室內通入N2，或惰性氣體，或氧氣與N2，或氧氣與惰性氣體的混合氣體,使腔室內氧氣濃度降低至小于10%，所述惰性氣體優選Ar氣；4)腔室內溫度升高至400℃~800℃，并保溫，在此過程中，需通入N2或者Ar氣；5)不通氣自然降溫或通惰性氣體降溫，直至室溫。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳軍，許卓，鄧少芝，許寧生，
申請(專利權)人：中山大學，
類型：發明
國別省市：