專利名稱：一種V₂O₅薄膜的電泳沉積制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，屬于功能薄膜制備及性能技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
V2O5具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是一種重要的過(guò)渡金屬氧化物，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，層間只存在較弱的相互作用。近年來(lái)，伴隨著功能材料研究的熱潮以及納米技術(shù)的發(fā)展，V2O5的研究的取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的V2O5表現(xiàn)出獨(dú)特的電子、離子和物理化學(xué)性能，且不同的實(shí)驗(yàn)方法以及不同的襯底上制備的V2O5薄膜，其電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)存在顯著的差異，因此，在鋰離子二次電池正極材料、智能窗、熱輻射檢測(cè)材料、傳感器、電致變色顯示材料、濾色片以及光學(xué)記憶材料等方面引起了研究者的極大興趣，在電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。制備V2O5薄膜的方法有真空蒸發(fā)鍍膜法、濺射法、脈沖激光沉積法(PLD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)、電泳沉積法等。溶膠-凝膠法是以無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽為前驅(qū)物，發(fā)生水解、聚合反應(yīng)制備溶膠，進(jìn)一步經(jīng)水解縮聚過(guò)程使膠體顆粒長(zhǎng)大逐漸凝膠化，再對(duì)凝膠進(jìn)行干燥，在空氣或保護(hù)氣體中進(jìn)行熱處理，去除有機(jī)成分而得到所需的薄膜材料。這種方法采用低溫化學(xué)手段，能夠在相當(dāng)小的尺寸范圍內(nèi)剪裁和控制材料的顯微結(jié)構(gòu)，使其均勻性達(dá)到亞微米級(jí)、納米級(jí)甚至分子級(jí)水平，所有其產(chǎn)物具有均勻性好、 純度高、顆粒細(xì)等優(yōu)點(diǎn)。利用不同的釩源，通過(guò)此種方法可以獲得由帶狀納米粒子組成的 V2O5. IiH2O凝膠薄膜，制膜的方法有提拉法、旋涂法、噴涂法和刷涂法等，最常用的是提拉法和旋涂法。但這種方法也存在缺點(diǎn)和不足(1)前驅(qū)物不穩(wěn)定，易水解；(2)溶膠與基片的相互作用，影響薄膜的粘附性；(3)薄膜后處理過(guò)程中，因?yàn)槿軇]發(fā)和收縮率較大，使薄膜收縮不均勻而發(fā)生開(kāi)裂脫落現(xiàn)象等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中V2O5薄膜的制備工藝復(fù)雜、V2O5薄膜不穩(wěn)定的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)V2O5進(jìn)行電泳沉積，在基片上獲得均勻、致密的V2O5薄膜，同時(shí)，提高V2O5薄膜的可控性，從而，提供一種不需要表面活性劑和催化劑、無(wú)需高溫高壓的V2O5薄膜制備方法。本發(fā)明V2O5薄膜的制備方法按以下步驟進(jìn)行
(1)以分析純V2O5為原料，H2O2為反應(yīng)溶劑，按照一定比例配置溶液，然后在始終將溫度保持在-2 +1° C的條件下，采用電磁攪拌和超聲波攪拌結(jié)合的攪拌工藝，制備V2O5溶膠溶液；
(2)將制備好的V2O5溶膠放入電泳裝置中(如圖1所示)，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基片作為陰極，石墨片為陽(yáng)極，在0 5°C的條件下，加載直流電壓5 40V，沉積時(shí)間為1 6分鐘，在基片上得到沉積的V2O5薄膜；
3(3)將步驟(2)中得到的沉積后的V2O5薄膜在自然條件下干燥12 M小時(shí)，然后，將其放入電阻爐中進(jìn)行熱處理后，在基片上獲得層狀的V2O5薄膜。所述H2A的濃度為20 40wt%。所述步驟(1)中是按照V2O5 =H2O2=O. 6g 1. 5g:30mL 90mL的比例配置的溶液。所述步驟(1)采用電磁攪拌在1 5轉(zhuǎn)/秒的攪拌速率下，向H2O2溶劑的中每20 40秒加入0. 05 0. 1克的V2O5粉末，溶液即呈淺黃色，隨著V2O5粉末的加入，同時(shí)不斷攪拌，溶液顏色逐漸變深直至呈紅褐色溶液時(shí)，再攪拌10 30分鐘后得到無(wú)沉淀的透明溶液；然后放在超聲波清洗器上，采用20 IOOKHz的超聲波繼續(xù)攪拌，超聲波清洗器內(nèi)保持溫度在-2 +1 ° C，促進(jìn)晶粒細(xì)化，使溶液混合更加均勻，攪拌10 30分鐘后，經(jīng)過(guò)濾后即得前驅(qū)物溶液，將所制備前驅(qū)物溶液密封保存在-2 +1° C條件下以備后用。所述步驟(2)中采用的基片為ITO導(dǎo)電玻璃，ITO導(dǎo)電玻璃先在濃度為1 10wt% 鹽酸中浸泡(Γ5分鐘，然后采用蒸餾水沖洗，再經(jīng)去離子水清洗，最后在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。所述步驟(2)中電極尺寸(陽(yáng)極或陰極)為20 30mmX30 40mm，電極間距離為 10 40mmo所述步驟(3)中ITO導(dǎo)電玻璃和襯底上的一同薄膜放入箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理，升溫速率控制在5°(T30°C/min，將溫度升至100 500°C，保溫60 MOmin，然后隨爐冷卻。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1、本發(fā)明用于制備V2O5薄膜，無(wú)需高溫高壓，在冰點(diǎn)附近進(jìn)行，使得工藝簡(jiǎn)單；
2、本發(fā)明方法不需要表面活性劑和催化劑，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染；
3、用本發(fā)明提供的方法制備的V2O5薄膜，結(jié)構(gòu)致密均勻，厚度為0.1 0. SMffl,無(wú)裂紋等，性能穩(wěn)定。


圖1本發(fā)明的電泳裝置示意圖。圖2本發(fā)明ITO導(dǎo)電玻璃襯底上15V電壓沉積V2O5薄膜經(jīng)300°C熱處理的20000 倍的形貌圖。圖3本發(fā)明ITO導(dǎo)電玻璃襯底上15V電壓沉積V2O5薄膜經(jīng)300°C熱處理的后的 XRD衍射圖。圖4本發(fā)明ITO導(dǎo)電玻璃襯底上15V電壓沉積V2O5薄膜經(jīng)500°C熱處理的30000 倍的形貌圖。圖5本發(fā)明ITO導(dǎo)電玻璃襯底上15V電壓沉積V2O5薄膜經(jīng)500°C熱處理的后的 XRD衍射圖
圖6本發(fā)明沉積電壓為15V時(shí)制備的V2O5薄膜經(jīng)不同溫度熱處理后的透射譜。圖7本發(fā)明不同沉積電壓制備的V2O5薄膜經(jīng)400°C熱處理后的透射譜。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
(1)以分析純V2O5為原料，濃度為25wt%的H2A為反應(yīng)溶劑，按照V2O5=H2O2=Ig: 50mL的比例配置的溶液，然后在始終將溫度保持在-2° C的條件下，采用電磁攪拌在3轉(zhuǎn)/秒的攪拌速率下，向H2A溶劑的中每20秒加入0. 05克的V2O5粉末，溶液即呈淺黃色，隨著V2O5粉末的加入，同時(shí)不斷攪拌，溶液顏色逐漸變深直至呈紅褐色溶液時(shí)，再攪拌10分鐘后得到無(wú)沉淀的透明溶液；然后放在超聲波清洗器上，采用SOKHz的超聲波繼續(xù)攪拌，超聲波清洗器內(nèi)保持溫度在-2 °C，促進(jìn)晶粒細(xì)化，使溶液混合更加均勻，攪拌10分鐘后，經(jīng)過(guò)濾后即得前驅(qū)物溶液，將所制備前驅(qū)物溶液密封保存在-2° C條件下以備后用；
(2)將制備好的V2O5溶膠放入電泳裝置中(如圖1所示)，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基片作為陰極，石墨片為陽(yáng)極，電極尺寸(陽(yáng)極或陰極)為^mmX 40mm，電極間距離為20mm，在0°C的條件下，加載直流電壓15V，沉積時(shí)間為2分鐘，在基片上得到沉積的V2O5薄膜；采用的基片為 ITO導(dǎo)電玻璃，ITO導(dǎo)電玻璃先在濃度為lwt%鹽酸中浸泡5分鐘，然后采用蒸餾水沖洗，再經(jīng)去離子水清洗，最后在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)將步驟(2)中得到的沉積后的V2O5薄膜在自然條件下干燥12小時(shí)，將ITO導(dǎo)電玻璃和襯底上的一同薄膜放入箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理，升溫速率控制在10°C/min，將溫度升至300°C，保溫60min，然后隨爐冷卻，在基片上獲得層狀的V2O5薄膜，結(jié)構(gòu)致密均勻， 厚度為0. 1 0. SMfli,無(wú)裂紋等，性能穩(wěn)定。圖2為獲得的V2O5薄膜表面形貌，圖3為其XRD 衍射圖。實(shí)施例2
(1)以分析純V2O5為原料，濃度為20wt%的H2A為反應(yīng)溶劑，按照V2O5=H2O2=O. 6g:30mL 的比例配置的溶液，然后在始終將溫度保持在0° C的條件下，采用電磁攪拌在1轉(zhuǎn)/秒的攪拌速率下，向H2A溶劑的中每30秒加入0. 1克的V2O5粉末，溶液即呈淺黃色，隨著V2O5粉末的加入，同時(shí)不斷攪拌，溶液顏色逐漸變深直至呈紅褐色溶液時(shí)，再攪拌20分鐘后得到無(wú)沉淀的透明溶液；然后放在超聲波清洗器上，采用20KHz的超聲波繼續(xù)攪拌，超聲波清洗器內(nèi)保持溫度在0°C，促進(jìn)晶粒細(xì)化，使溶液混合更加均勻，攪拌15分鐘后，經(jīng)過(guò)濾后即得前驅(qū)物溶液，將所制備前驅(qū)物溶液密封保存在0° C條件下以備后用；
(2)將制備好的V2O5溶膠放入電泳裝置中(如圖1所示)，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基片作為陰極，石墨片為陽(yáng)極，電極尺寸(陽(yáng)極或陰極)為20mmX35mm，電極間距離為10mm，在2°C的條件下，加載直流電壓15V，沉積時(shí)間為6分鐘，在基片上得到沉積的V2O5薄膜；采用的基片為 ITO導(dǎo)電玻璃，ITO導(dǎo)電玻璃先在濃度為2wt%鹽酸中浸泡4分鐘，然后采用蒸餾水沖洗，再經(jīng)去離子水清洗，最后在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)將步驟(2)中得到的沉積后的V2O5薄膜在自然條件下干燥18小時(shí)，將ITO導(dǎo)電玻璃和襯底上的一同薄膜放入箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理，升溫速率控制在5°C/min，將溫度升至500°C，保溫lOOmin，然后隨爐冷卻，在基片上獲得層狀的V2O5薄膜，結(jié)構(gòu)致密均勻， 厚度為0. 1 0. SMfli,無(wú)裂紋等，性能穩(wěn)定。圖4為獲得的V2O5薄膜表面形貌，圖5為其XRD 衍射圖，圖6為其透射譜。實(shí)施例3 (1)以分析純V2O5為原料，濃度為40wt%的H2A為反應(yīng)溶劑，按照V2O5=H2O2=L 5g:90mL 的比例配置的溶液，然后在始終將溫度保持在1° C的條件下，采用電磁攪拌在5轉(zhuǎn)/秒的攪拌速率下，向H2A溶劑的中每40秒加入0. 08克的V2O5粉末，溶液即呈淺黃色，隨著V2O5粉末的加入，同時(shí)不斷攪拌，溶液顏色逐漸變深直至呈紅褐色溶液時(shí)，再攪拌30分鐘后得到無(wú)沉淀的透明溶液；然后放在超聲波清洗器上，采用IOOKHz的超聲波繼續(xù)攪拌，超聲波清洗器內(nèi)保持溫度在1°C，促進(jìn)晶粒細(xì)化，使溶液混合更加均勻，攪拌30分鐘后，經(jīng)過(guò)濾后即得前驅(qū)物溶液，將所制備前驅(qū)物溶液密封保存在1°C條件下以備后用；
(2)將制備好的V2O5溶膠放入電泳裝置中(如圖1所示)，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基片作為陰極，石墨片為陽(yáng)極，電極尺寸(陽(yáng)極或陰極)為30mmX30mm，電極間距離為40mm，在5°C的條件下，加載直流電壓20V，沉積時(shí)間為1分鐘，在基片上得到沉積的V2O5薄膜；采用的基片為 ITO導(dǎo)電玻璃，ITO導(dǎo)電玻璃先在濃度為10wt%鹽酸中浸泡1分鐘，然后采用蒸餾水沖洗，再經(jīng)去離子水清洗，最后在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)將步驟(2)中得到的沉積后的V2O5薄膜在自然條件下干燥M小時(shí)，將ITO導(dǎo)電玻璃和襯底上的一同薄膜放入箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理，升溫速率控制在30°C/min，將溫度升至400°C，保溫MOmin，然后隨爐冷卻，在基片上獲得層狀的V2O5薄膜，結(jié)構(gòu)致密均勻，厚度為0. 1 0. SMffl，無(wú)裂紋等，性能穩(wěn)定。如圖7所示透射譜。實(shí)施例4
(1)以分析純V2O5為原料，濃度為30wt%的H2A為反應(yīng)溶劑，按照V2O5=H2O2=O. 8g:80mL 的比例配置的溶液，然后在始終將溫度保持在1°C的條件下，采用電磁攪拌在4轉(zhuǎn)/秒的攪拌速率下，向H2A溶劑的中每40秒加入0. 08克的V2O5粉末，溶液即呈淺黃色，隨著V2O5粉末的加入，同時(shí)不斷攪拌，溶液顏色逐漸變深直至呈紅褐色溶液時(shí)，再攪拌15分鐘后得到無(wú)沉淀的透明溶液；然后放在超聲波清洗器上，采用90KHz的超聲波繼續(xù)攪拌，超聲波清洗器內(nèi)保持溫度在1°C，促進(jìn)晶粒細(xì)化，使溶液混合更加均勻，攪拌18分鐘后，經(jīng)過(guò)濾后即得前驅(qū)物溶液，將所制備前驅(qū)物溶液密封保存在1°C條件下以備后用；
(2)將制備好的V2O5溶膠放入電泳裝置中(如圖1所示)，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基片作為陰極，石墨片為陽(yáng)極，電極尺寸(陽(yáng)極或陰極)為22mmX32mm，電極間距離為30mm，在4°C的條件下，加載直流電壓25V，沉積時(shí)間為4分鐘，在基片上得到沉積的V2O5薄膜；采用的基片為 ITO導(dǎo)電玻璃，ITO導(dǎo)電玻璃先在濃度為8wt%鹽酸中浸泡3分鐘，然后采用蒸餾水沖洗，再經(jīng)去離子水清洗，最后在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)將步驟(2)中得到的沉積后的V2O5薄膜在自然條件下干燥20小時(shí)，將ITO導(dǎo)電玻璃和襯底上的一同薄膜放入箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理，升溫速率控制在18°C/min，將溫度升至400°C，保溫MOmin，然后隨爐冷卻，在基片上獲得層狀的V2O5薄膜，結(jié)構(gòu)致密均勻，厚度為0. 1 0. SMffl，無(wú)裂紋等，性能穩(wěn)定。如圖7所示透射譜。實(shí)施例5 與實(shí)施例4的制備步驟相同，其中加載直流電壓為15 V，最終得到層狀的V2O5薄膜，結(jié)構(gòu)致密均勻，厚度為0. 1 0. SMffl，無(wú)裂紋等，性能穩(wěn)定。如圖7所示透射譜。實(shí)施例6 與實(shí)施例2的制備步驟相同，其中加載電壓為5V，熱處理溫度升至 IOO0C，結(jié)構(gòu)致密均勻，厚度為0. 1 0. SMffl,無(wú)裂紋等，性能穩(wěn)定，最終得到層狀的V2O5薄膜。
實(shí)施例7:與實(shí)施例1制備步驟相同，其中加載電壓為40V，熱處理溫度升至 IOO0C，結(jié)構(gòu)致密均勻，厚度為0. 1 0. SMffl,無(wú)裂紋等，性能穩(wěn)定，最終得到層狀的V2O5薄膜。
權(quán)利要求
1.一種V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，其特征在于制備步驟包括如下(1)以分析純V2O5為原料，H2O2為反應(yīng)溶劑，按照一定比例配置溶液，然后在始終將溫度保持在-2 +1° C的條件下，采用電磁攪拌和超聲波攪拌結(jié)合的攪拌工藝，制備V2O5溶膠溶液；(2)將制備好的V2O5溶膠放入電泳裝置中，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基片作為陰極，石墨片為陽(yáng)極，在0 5°C的條件下，加載直流電壓5 40V，沉積時(shí)間為1 6分鐘，在基片上得到沉積的V2O5薄膜；(3)將步驟(2)中得到的沉積后的V2O5薄膜在自然條件下干燥12 M小時(shí)，然后，將其放入電阻爐中進(jìn)行熱處理后，在基片上獲得層狀的V2O5薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，其特征在于所述H2A的濃度為20 40wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，其特征在于所述步驟(1) 中是按照V2O5 =H2O2=O. 6g 1. 5g:30mL 90mL的比例配置的溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，其特征在于所述步驟(1) 采用電磁攪拌在1 5轉(zhuǎn)/秒的攪拌速率下，向H2A溶劑中每20 40秒加入0. 05 0. 1 克的V2O5粉末，溶液即呈淺黃色，隨著V2O5粉末的加入，同時(shí)不斷攪拌，溶液顏色逐漸變深直至呈紅褐色溶液時(shí)，再攪拌10 30分鐘后得到無(wú)沉淀的透明溶液；然后放在超聲波清洗器上，采用20 IOOKHz的超聲波繼續(xù)振蕩攪拌，超聲波清洗器內(nèi)保持溫度在-2 +1°C，促進(jìn)晶粒細(xì)化，使溶液混合更加均勻，攪拌10 30分鐘后，經(jīng)過(guò)濾后即得前驅(qū)物溶液，將所制備前驅(qū)物溶液密封保存在-2 +1° C條件下以備后用。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，其特征在于所述步驟(2) 中采用的基片為ITO導(dǎo)電玻璃，ITO導(dǎo)電玻璃先在濃度為1 10wt%鹽酸中浸泡(Γ5分鐘， 然后采用蒸餾水沖洗，再經(jīng)去離子水清洗，最后在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。
6.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，其特征在于所述步驟(2) 中電極尺寸為20 30mmX30 40mm，電極間距離為10 40mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，其特征在于所述步驟(3)中ITO導(dǎo)電玻璃和襯底上的薄膜一同放入電阻爐中進(jìn)行熱處理，升溫速率控制在 5°(T30°C/min，將溫度升至100 500°C，保溫60 MOmin，然后隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種V2O5薄膜的電泳沉積制備方法，屬于功能薄膜制備及性能技術(shù)領(lǐng)域。以V2O5為原料，H2O2為反應(yīng)溶劑，將純V2O5和20～40wt%的H2O2溶液按照V2O5H2O2=0.6g～1.5g:30mL～90mL混合，采用電磁-超聲波混合攪拌方式制取V2O5溶膠，然后通過(guò)電泳沉積的方法在ITO導(dǎo)電玻璃上沉積V2O5薄膜，最后對(duì)薄膜進(jìn)行熱處理，獲得層狀的V2O5薄膜。本發(fā)明方法不需要表面活性劑和催化劑、無(wú)需高溫高壓，具有工藝操作簡(jiǎn)單、成本低、形成的V2O5薄膜結(jié)構(gòu)致密性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C25D13/02GK102400199SQ20111042245
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者劉建雄, 劉忠, 張衛(wèi)偉, 張曉娟, 彭雁, 李莉, 詹肇麟 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)