一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，屬于納米晶薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]核反應(yīng)堆中的核燃料，如二氧化鈾、二氧化釷、二氧化钚等材料具有放射性，研宄這些材料在輻照環(huán)境中的演化對(duì)研宄條件的要求非?？量?，同時(shí)研宄過程具有一定的危險(xiǎn)性。立方相氧化鋯(ZrO2)與上述材料具有相同的結(jié)構(gòu)，但是沒有放射性，而且還具有非常優(yōu)良的抗輻照性能，這使得它成為研宄陶瓷氧化物在核反應(yīng)堆中輻照行為的理想材料[K.E.Sickafus, H.Matzke, T.Hartmann, et al.Journal of NuclearMaterials.1999, 274:66-67 ；Y.ff.Zhang, ff.L.Jiang, C.M Wang, et al.Physical reviewB, 2010, 82:184105] ?立方相ZrO2是高溫穩(wěn)定相，一般在室溫條件下不易獲得。目前國(guó)際上一般采用離子束輔助沉積(IBAD)方法來制備立方相ZrO2納米晶薄膜[J.Lian, J.Zhang, F.Namavar, et al.Nanotechnology, 2009, 20:245303]，這種方法合成的納米晶晶粒大小比較均勻，但是其操作工藝復(fù)雜，成本較高，而且可控性也比較差。也有報(bào)道將26104進(jìn)行離子束非晶化，獲得埋覆在非晶S12rI3的ZrO 2納米晶[A.Meldrum, L.A.Boatner, R.C.Ewing.Physical Review Letters, 2002，88:025503]，但是這種方法制備出的ZrO2納米晶在福照條件下容易非晶化。溶膠一凝膠方法制備工藝比較簡(jiǎn)單，而且成本比較低廉。目前已報(bào)道的采用溶膠一凝膠方法合成的立方相ZrO2納米晶大部分是粉體材料[蔣銀花，倪良，李澄，等.無機(jī)鹽工業(yè)，2006，38:29-35]，也有部分文獻(xiàn)報(bào)道在襯底上制備出Zr02m米晶薄膜[A.Mehner, H.K.ffestkamp, F.Hoffmann, et al.Thin Solid Films, 1997, 308:363-368]，但是仍然存在許多問題，如在襯底上涂覆的薄膜容易發(fā)生開裂、薄膜不平整、多孔、相不純、燒結(jié)溫度高等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的問題是制備出一種晶粒大小均勻的、表面平滑無裂紋的、有穩(wěn)定立方相的氧化鋯納米晶薄膜。提供了一種溶膠一凝膠法結(jié)合旋涂的方式，制備8YSZ的方法。
[0004]一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，制備步驟如下:
[0005]I)、分別采用分析純ZrOCl2.8H20為鋯源，Y(NO3)3.6H20為釔源，加入去離子水配制成濃度為0.4-0.8mol/L的ZrOCl2溶液，其中Zr:Y的摩爾比為0.92:0.16 ；
[0006]2)、以H2C2O4.2Η20為沉淀劑，加入去離子水，配制成與ZrOCl2溶液濃度比為0.5-1的溶液；將ZrOCl2S液緩慢滴加到H2C2O4溶液中，制備成溶膠前驅(qū)體；
[0007]3)、以聚乙烯醇(PVA)溶液作為分散劑，乙酰丙酮作為溶膠穩(wěn)定劑，分別加入到溶膠前驅(qū)體當(dāng)中；其中PVA的質(zhì)量濃度為5% -10%，溶膠前驅(qū)體當(dāng)中PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8% _12%，乙酰丙酮的體積分?jǐn)?shù)為3% -5% ;
[0008]4)、旋涂；以單晶Si作為襯底，勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速為7000-9000r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為50-100s ；
[0009]5)、分級(jí)干燥處理，80°C保溫 15-30min，50°C保溫 30_60min，30°C保溫 30_60min。將干燥好的薄膜進(jìn)行300-400°C，20-50min的預(yù)燒結(jié)處理后再重復(fù)旋涂的步驟進(jìn)行多次涂膜。
[0010]6)、燒結(jié):涂膜階段完成后，進(jìn)行500-1200°C，保溫0.5-1.5h的燒結(jié)處理，即可獲得穩(wěn)定立方相的氧化鋯薄膜。
[0011]本發(fā)明以氧氯化鋯(ZrOCl2.8H20)為鋯源，硝酸釔(Y(NO3)3.6H20)為摻雜劑，草酸(H2C2O4CH2O)為沉淀劑，來制備8%摩爾釔摻雜的穩(wěn)定立方相氧化鋯溶膠(記作8YSZ)。溶膠的制備過程均在室溫下進(jìn)行，使得操作更為簡(jiǎn)便。用單晶Si片作為襯底，結(jié)合旋轉(zhuǎn)涂膜，然后退火處理的方法，制備出了立方相的ZrCV薄膜。薄膜表面平整無裂紋，在相對(duì)較低的熱處理溫度下就可以獲得純的立方相，并且薄膜的晶粒非常小，而且分布均勻。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013](I)制備的ZrO2納米晶薄膜表面平整無裂紋，并且納米晶的平均晶粒尺寸非常小，
一致性非常好。
[0014](2)在相對(duì)較低的燒結(jié)溫度下就可以獲得了室溫下穩(wěn)定的立方相Zr02m米晶薄膜，并且沒有雜相。
[0015](3)溶膠的制備過程無需加熱，使得操作更為簡(jiǎn)便。
[0016](4)對(duì)薄膜進(jìn)行預(yù)燒結(jié)處理，避免了再次涂膜時(shí)薄膜的重溶，從而可以進(jìn)行多層涂膜。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明工藝流程圖。
[0018]圖2為8YSZ納米晶薄膜的XRD圖譜，可以看出此薄膜室溫下只存在單一的立方相結(jié)構(gòu)。
[0019]圖3為8YSZ納米晶薄膜的AFM的三維圖像，可以看出薄膜表面十分致密，沒有小氣孔或者裂紋出現(xiàn)，整體十分平滑。
[0020]圖4為8YSZ納米晶薄膜的TEM圖像，薄膜的厚度約60nm，晶粒大小比較均勻，直徑約為5nm。
[0021]具體實(shí)施案例
[0022]實(shí)施例1
[0023]將H2C2O4.2Η20加去離子水溶解，配制成0.33mol/L的H2C2O4溶液；將ZrOCl 2.8Η20和Y(NO3) 3.6Η20加去離子水溶解，配制成ZrOCl2濃度為0.5mol/L的混合溶液，其中Zr: Y的摩爾比為0.92:0.16。
[0024]將21*0(:12與Y (NO 3) 3的混合溶液緩慢滴加到H 2(:204溶液中，充分溶解后，滴加濃度為5%的PVA溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。同時(shí)再滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的乙酰丙酮，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑笮纬扇苣z。
[0025]以單晶Si片作為基底，使用勻膠機(jī)，將溶膠涂覆在Si片上。勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為8000r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為60s。涂膜后進(jìn)行80°C保溫15min，50°C保溫30min，30°C保溫30min的分級(jí)干燥處理。300°C保溫20min預(yù)燒結(jié)之后，可重復(fù)涂膜。涂膜完成后，進(jìn)行500°C保溫Ih的燒結(jié)后即可獲得最終的立方相ZrCV薄膜。
[0026]實(shí)施例2
[0027]將H2C2O4.2Η20加去離子水溶解，配制成0.45mol/L的H2C2O4溶液；將ZrOCl 2.8Η20和Y(NO3) 3.6Η20加去離子水溶解，配制成ZrOCl2濃度為0.7mol/L的混合溶液，其中Zr: Y的摩爾比為0.92:0.16。
[0028]將21*0(:12與Y (NO 3) 3的混合溶液緩慢滴加到H 2(:204溶液中，充分溶解后，滴加濃度為6%的PVA溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。同時(shí)再滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的乙酰丙酮，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑笮纬扇苣z。
[0029]以單晶Si片作為基底，使用勻膠機(jī)，將溶膠涂覆在Si片上。勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為8500r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為50s。涂膜后進(jìn)行80°C保溫20min，50°C保溫40min，30°C保溫40min的分級(jí)干燥處理。300°C保溫20min預(yù)燒結(jié)之后，可重復(fù)涂膜。涂膜完成后，進(jìn)行1200°C保溫Ih的燒結(jié)后即可獲得最終的立方相ZrCV薄膜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，其特征在于制備步驟如下: 1)、分別采用分析純ZrOCl2.8H20為鋯源，Y(NO3)3.6H20為釔源，加入去離子水配制成濃度為 0.4-0.8mol/L 的 ZrOCl2溶液； 2)、以H2C2O4.2H20為沉淀劑，加入去離子水，配制成H2C2O4溶液；將ZrOCl 2溶液緩慢滴加到H2C2O4溶液中，制備成溶膠前驅(qū)體； 3)、以聚乙烯醇(PVA)溶液作為分散劑，乙酰丙酮作為溶膠穩(wěn)定劑，分別加入到溶膠前驅(qū)體當(dāng)中； 4)、旋涂；以單晶Si作為襯底，勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速為7000-9000r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為50-100s ； 5)、分級(jí)干燥處理，80°C保溫15-30min，50°C保溫 30_60min，30°C保溫 30_60min ;將干燥好的薄膜進(jìn)行預(yù)燒結(jié)處理后再重復(fù)旋涂的步驟進(jìn)行多次涂膜； 6)、燒結(jié):涂膜階段完成后，進(jìn)行燒結(jié)處理，即可獲得穩(wěn)定立方相的氧化鋯薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，其特征在于步驟1)鋯源和釔源中Zr:Y的摩爾比為0.92:0.16。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，其特征在于步驟2)中H2C2O4溶液與ZrOCl2溶液濃度比為0.5_1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，其特征在于步驟3)中PVA的質(zhì)量濃度為5%-10%，溶膠前驅(qū)體當(dāng)中PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8% -12%，乙酰丙酮的體積分?jǐn)?shù)為3 % -5 %。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，其特征在于步驟5)中預(yù)燒結(jié)處理溫度為300-400°C，時(shí)間為20-50min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，其特征在于步驟6)中燒結(jié)處理溫度為500-1200°C，保溫0.5-1.5h。
【專利摘要】一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，屬于納米晶薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明以氧氯化鋯為鋯源，硝酸釔為摻雜劑，草酸為沉淀劑，來制備8％摩爾釔摻雜的穩(wěn)定立方相氧化鋯溶膠(記作8YSZ)。溶膠的制備過程均在室溫下進(jìn)行，使得操作更為簡(jiǎn)便。用單晶Si片作為襯底，結(jié)合旋轉(zhuǎn)涂膜，然后退火處理的方法，制備出了立方相的ZrO2薄膜。薄膜表面平整無裂紋，在相對(duì)較低的熱處理溫度下就可以獲得純的立方相，并且薄膜的晶粒非常小，而且分布均勻。
【IPC分類】C01G25-02, C04B41-50
【公開號(hào)】CN104528822
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410816703
【發(fā)明人】常永勤, 張靜, 王卡, 萬康, 陳林, 陳瓊, 龍毅
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月24日