HOU JIWEI (CN)
RUAN QIFENG (CN)
US20090114275A1 | 2009-05-07 | |||
CN102534731A | 2012-07-04 | |||
CN101265036A | 2008-09-17 | |||
CN101626047A | 2010-01-13 | |||
CN102249552A | 2011-11-23 | |||
CN101805134A | 2010-08-18 |
北京市汉信律师事务所 (CN)
权 利 要 求 1. 一种通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 包括以下歩骤: ( 1 ) 将二氧化钒粉体加入到带极性基团的有机溶剂中, 形成悬浮 液或溶胶; (2) 向歩骤 (1 ) 得到的悬浮液或溶胶中加入碘单质, 分散均匀; (3 ) 向歩骤 (2) 中得到的悬浮液中放入电极, 开始电泳沉积; (4)将歩骤(3 )中在电极上得到的薄膜干燥,得到二氧化钒薄膜。 2. 如权利要求 1所述的通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 其 特征在于: 所述歩骤(4) 中在电极上沉积出来的薄膜与歩骤(2 ) 中加入 的碘的量有如下关系, BP , 若碘的浓度小于或等于 0.30mmol/L, 在阳极 上有二氧化钒薄膜沉积, 若碘的浓度大于 0.30mmol/L, 在阴极上有二氧 化钒薄膜沉积。 3. 如权利要求 1所述的通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 其 特征在于: 所述歩骤 (1 ) 中加入的溶剂为: 醇类, 如乙醇、 异丙醇等; 酮类, 如丙酮、 乙酰丙酮等; 阴极电泳漆类, 如丙烯酸体系等; 及以上溶 剂的任意组合的混合溶剂, 或以上溶剂中的一种以上与水的混合溶剂。 4. 如权利要求 1所述的通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 其 特征在于: 所述歩骤 (1 ) 中得到的混合溶液中, 二氧化钒粉体的浓度为 0.05~16.00mg/ml, 优选 0.2~1.80mg/ml。 5. 如权利要求 1所述的通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 其 特征在于:所述歩骤(2)中加入的碘单质,其加入的浓度为大于 0.0mmol/L 且 4.0mmol/L以下, 优选 0.6~2.0mmol/L。 6. 如权利要求 1所述的通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 其 特征在于: 所述歩骤 (2 ) 中分散的时间为 10~60分钟。 7. 如权利要求 1所述的通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 其 特征在于: 所述歩骤 (3 ) 中放入的电极为导电基体 /导电衬底, 该导电基 体 /导电衬底选自不锈钢片、 铁片、 铜片、 银片、 铝片、 铂片、 镍片、 锌 片、 导电合金、 导电玻璃、 导电聚合物和导电陶瓷。 8. 如权利要求 1所述的通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 其 特征在于: 所述歩骤(3 )中沉积电压为 10 100V, 优选 40 60V,沉积时间 为 0.5-15.0分钟,优选 1.0-3.0分钟; 电极保持平行,其间距为 0.5~4.0cm, 优选为 1.0~2.0cm。 9. 如权利要求 1所述的通过电泳沉积制备二氧化钒薄膜的方法, 其 特征在于: 所述歩骤 (4) 中, 薄膜烘干的温度为 20~80°C, 烘干时间为 20-100分钟。 10. 一种二氧化钒薄膜, 其是利用权利要求 1〜9 中任一项所述方法 制造得到的。 |
本发明涉及电子材料与器件领域,尤其涉及到 一种通过电泳沉积制备 二氧化钒薄膜的方法。 背景技术
二氧化钒是一种典型的热致相转变材料,在已 知的相变材料中相转变 温最接近室温的, 其在 68°C时发生可逆的结构相转变, 从低温的单斜结 构向高温的金红石结构转变。低于相转变温度 时,呈现半导体相, 电阻率, 磁化率和红外光的透过率均很高, 而高于相转变温度时, 呈现金属相, 电 阻率, 磁化率和红外光的透过率均发生突变, 降到很低, 具有非常明显的 红外开关, 电学开关及磁学开关性质。 同时对其进行高价金属离子掺杂, 可以实现对其相转变温度的人为调控, 而其可逆的电学、磁学和红外开关 性质不变。基于二氧化钒优异的光学, 电学和磁学性质, 其在建筑物的智 能窗材料, 热敏电阻, 光电开关, 光存储等方面有巨大的潜在应用。
二氧化钒具有优异的光学, 电学和磁学性质, 促使着人们对其不停的 研究, 已经开发出很多制备二氧化钒的方法及工艺。 中国专利 (公开号 CN101559981A ) 采用燃烧法制备二氧化钒, 中国专利 (公开号 CN1522965A) 采用水热法制备二氧化钒等等, 但是二氧化钒的光学, 电 学和磁学开关性质的推广使用主要以二氧化钒 薄膜的形式,而目前缺乏有 效的制备二氧化钒薄膜的方法, 使其推广使用受到了极大的限制。虽然中 国专利 (公开号 CN101280413A), 中国专利 (公开号 CN101265036A) 均采用磁控溅射镀膜的方法在玻璃衬底上低温 沉积二氧化钒薄膜,但其先 成膜后成相的方法极易生成杂质相, 其玻璃衬底需要高温加热, 导致过高 的能耗, 达不到节能减排的目的, 还不可避免的使用到大型的磁控溅射设 备, 不仅增加了生产成本, 而且还需要精确的参数控制, 不利于大规模的 制备, 也很大程度上限制了二氧化钒的推广使用, 因此开发一种简易高效 的制备二氧化钒薄膜的方法是一个技术的难点 。
电泳沉积是指依靠直流电场的作用,使胶体或 悬浮液中的带电粒子定 向移动, 并沉积在具有相反电荷的一定形状电极上, 任何可以制成细小微 粒(粒径不大于 30微米)或溶胶的固体材料, 都可以进行电泳沉积, 其适 用范围包括金属、 聚合物、 碳化物、 氧化物和无机盐类等。 电泳沉积作为 一种简易高效制备薄膜的方法目前还没有人将 其应用到二氧化钒薄膜的 制备领域。 发明内容
本发明正是基于电泳沉积技术而完成的, 本发明采用简单的方法, 在 不同的导电衬底上直接电泳沉积成功制备出二 氧化钒薄膜,而且电极上不 发生电化学反应, 不改变二氧化钒粉体的结构和性质, 先成相后成膜, 克 服了现有制备技术中先成膜后成相而导致薄膜 中有很多杂相,进而严重影 响其光学, 电学和磁学开关性质的缺点。本发明工艺简单 , 不需要任何大 型设备, 反应条件温和, 成膜速度快, 稳定性高, 废液可以循环利用, 经 济无污染, 适合大规模的推广使用。
δ卩, 本发明提供一种通过电泳沉积制备二氧化钒薄 膜的方法, 其先成 相后成膜, 解决了目前制备二氧化钒薄膜需要先成膜后成 相, 从而导致薄 膜中存在很多杂相, 进而严重影响其光学、 电学和磁学开关性质的问题。 现有的制备技术还需要价格高昂的大型设备, 控制复杂的参数, 而且还有 原料利用率不高、 不能大量制备等缺点, 无形中增加了生产成本, 限制了 其推广使用。而本发明克服了现有制备技术的 诸多不足之处, 完善了二氧 化钒薄膜的制备方法, 其具体技术方案如下:
( 1 ) 将二氧化钒粉体加入到溶剂中, 形成悬浮液或溶胶;
(2 ) 向歩骤 (1 ) 得到的悬浮液或溶胶中加入碘单质, 分散均匀;
( 3 ) 向歩骤 (2 ) 中得到的悬浮液中放入电极, 开始电泳沉积;
(4 ) 将歩骤 (3 ) 中在电极上得到的薄膜干燥, 得到二氧化钒薄膜。 本发明还提供一种二氧化钒薄膜, 其是通过上述方法制造得到的。 本发明制备的二氧化钒薄膜,直接采用市售的 或者预先制备好的二氧 化钒粉体, 加入溶剂和少量的碘单质, 搅拌混合, 超声分散均匀后, 作为 电泳沉积液, 然后放入清洗好的电极开始电泳沉积镀膜, 该方法不需要大 型设备, 不改变沉积前后二氧化钒粉体的结构和性质, 其工艺简单, 可操 作性强,成膜速度快,容易控制, 原料利用率高,废液可以多次循环利用, 适合规模化生产。 附图说明
图 1为实施例 1沉积前的二 化钒粉体的 XRD谱图。
图 2为实施例 1沉积后的二 化钒薄膜的 XRD谱图。
图 3为实施例 1沉积制备后 氧化钒薄膜的 SEM图片。
图 4为实施例 1沉积制备的 氧化钒薄膜图片。
图 5为实施例 2沉积制备的 氧化钒薄膜图片。
图 6为实施例 3沉积制备的 氧化钒薄膜图片。 具体实施方式
本发明提供一种通过电泳沉积制备二氧化钒薄 膜的方法,所述方法包 括以下歩骤:
(1) 将二氧化钒粉体加入到溶剂中, 形成悬浮液或溶胶;
(2) 向歩骤 (1) 得到的悬浮液或溶胶中加入碘单质, 分散均匀;
(3) 向歩骤 (2) 中得到的悬浮液中放入电极, 开始电泳沉积;
(4) 将歩骤 (3) 中在电极上得到的薄膜干燥, 得到二氧化钒薄膜。 本发明还提供一种通过所述电泳沉积制备二氧 化钒薄膜的方法制备 的制备二氧化钒薄膜。
其中, 通过添加一定量的碘单质, 使悬浮液颗粒更容易带上电荷, 如 不添加少量的碘, 沉积的效率稍差一些, 加入碘, 有机物中(例如: 丙酮) 的邻近羰基官能团的碳原子发生碘化作用:
CH 3 -CO-CH 3 + l 2 →ICH 2 -CO-CH 2 I + 2H" + 2Γ
二氧化钒悬浮液颗粒吸附 Η÷和 Γ, 从而带上电荷。
本发明中使用的二氧化钒粉体采用通用的市售 产品即可,也可以采用 如下歩骤制备,将 20ml甲醛和 0.0025mol V 2 0 5 混合,磁力搅拌约 lh后加 入 60ml去离子水转移到 100ml高压釜中,在 180°C下保持 24h, 自然冷却 到室温, 收集沉淀物, 分别用去离子水和无水乙醇洗涤 5〜6次。 最后在 烘箱中 60°C下烘干 10h, 得到蓝灰色的 V0 2 (B)粉体。 将得到的粉末置于 管式马弗炉中, 在氩气氛围中 500°C热处理 6h,然后自然冷却到室温, 即 得到 V0 2 (M)粉体。
歩骤 ( 1 ) 中二氧化钒的浓度优选 0.05~16.00mg/ml, 更优选 0.2-1.8mg/mlo 歩骤 (1) 中使用的溶剂通常为: 醇类, 如乙醇, 异丙醇等; 酮类, 如丙酮, 乙酰丙酮等; 阴极电泳漆类, 如丙烯酸体系等; 及以上溶液的任 意组合的混合溶液。
歩骤 (1) 中的搅拌时间优选为 5~90分钟。
歩骤(2)中,加入的碘单质的浓度优选大于 0.0 mmol/L且 4.0mmol/L 以下, 更优选 0.6~2.0mmol/L; 搅拌时间优选为 10~60分钟, 超声分散时 间优选为 10~60分钟。
歩骤(3)中放入的电极为导电基体 /导电衬底, 该导电基体 /导电衬底 选自不锈钢片、 铁片、 铜片、 银片、 铝片、 铂片、 镍片、 锌片、 导电合金、 导电玻璃、 导电聚合物和导电陶瓷; 沉积电压优选 10 100V, 更优选 30-50V, 沉积时间优选 0.5 6.0分钟, 更优选 1.5 2.5分钟; 电极保持平 行, 其间距优选 0.5~4.0cm, 更优选 1.0~2.0cm。
歩骤(4) 中在电极上沉积出来的薄膜与歩骤(2) 中加入的碘的量有 如下关系, BP: 若碘的浓度小于或等于 0.30mmol/L, 阳极上有二氧化钒 薄膜沉积, 若碘的浓度大于 0.30mmol/L, 阴极上有二氧化钒薄膜沉积, 其烘干的温度优选为 20~80°C, 烘干时间优选为 20~100分钟。 下面通过下述实施例来详细说明本发明, 但并不限制本发明的内容: 仪器及型号:
场发射扫描电子显微镜, 型号: Sirion200。
TTR-III样品水平型大功率 X射线粉末衍射仪, 采用 Cu-Κα 射线 (入 =1.54184lA), 扫描速率 8°/min, 管电压 40KV, 管电流 200mA
直流稳压电源, 型号: IT6834 实施例 1:
(1) 称量 50mg 的二氧化钒粉体放入到 30ml丙酮中, 配置浓度为 1.67mg/ml的悬浮液, 搅拌 15分钟;
(2) 向歩骤( 1 )中的悬浮液中加入 0.021mmol的碘单质(国药集团, 分析纯), 超声分散 20分钟; (3 ) 用清洗好的 FTO导电玻璃作为电极, 尺寸大小为: 长 2.5cm, 宽 2.0cm, 放入到歩骤(2)中超声分散的悬浮液中, 用直流电源提供 50V 的电压, 加到两电极上, 两电极平行放置, 间距为 2.0cm, 沉积时间为两 分钟;
(4) 将歩骤 (3 ) 中阴极上沉积的二氧化钒薄膜放入烘箱中, 40°C, 30分钟烘干, 得到 FTO导电玻璃为衬底的二氧化钒薄膜。
本实施例所用的二氧化钒粉体的 XRD谱图如说明书附图 1所示, 得 到的 FTO导电玻璃为衬底的二氧化钒薄膜的 XRD谱图如说明书附图 2所 示, 电泳沉积成膜后的 XRD 谱图在 (011), (-211), (-212), (220), (022) 的特征峰没有变化, Sn0 2 的特征峰为 (110), (101), (200), (211), (310), (301), 主要来源是 FTO导电玻璃基底。本发明所采用的 FTO导电玻璃是 由日本板硝子公司生产, 型号 TCO-15 , 在 2.2mm厚的普通玻璃上镀一层 350nm厚的掺氟 Sn0 2 导电薄膜。
二氧化钒薄膜的 XRD谱图说明电泳沉积过程没有发生电化学反应 , 粉体和衬底的结构没有发生变化, 完全保留了粉体的结构和性质, 从而避 免了目前现有制备二氧化钒薄膜技术中, 先成膜后成相, 从而产生杂相, 进而影响其性质的巨大缺点。
FTO导电玻璃为衬底二氧化钒薄膜 SEM图片如说明书附图 3所示, 二氧化钒薄膜的厚度为 6.4微米, 薄膜不是很致密, FTO导电玻璃为衬底 的二氧化钒薄膜图片如说明书附图 4所示, 总体上比较均匀致密, 薄膜与 FTO导电玻璃衬底结合比较好, 不易脱落。 实施例 2:
( 1 ) 称量 20mg的二氧化钒粉体放入到 30ml的乙酰丙酮溶液中, 配 置浓度为 0.67mg/ml的悬浮液, 搅拌 30分钟;
(2) 向歩骤(1 )中的悬浮液中加入 0.048mmol的碘单质(国药集团, 分析纯), 超声分散 40分钟;
(3 ) 用清洗好的铜片作为电极, 尺寸大小为: 长 3.0cm, 宽 2.5cm, 放入到歩骤 (2) 中超声分散的悬浮液中, 用直流电源提供 30V的电压, 加到两电极上, 两电极平行放置, 间距为 1.0cm, 沉积时间为三分钟; (4) 将歩骤(3 )中在阴极上沉积的二氧化钒薄膜放入烘箱中 60°C, 20分钟烘干, 得到铜片为衬底的二氧化钒薄膜。
本实施例所得到的铜片为衬底的二氧化钒薄膜 图片如说明书附图 5 所示, 总体上比较均匀致密, 而且和铜片衬底结合的比较好, 长时间放置 薄膜不易脱落。 实施例 3 :
( 1 ) 称量 30mg二氧化钒粉体加入到 30ml的阴极透明电泳漆和 水的混合溶液中, 其中阴极透明电泳漆和水的体积比为 6: 1, 配置浓度为 1.0mg/ml的悬浮液, 搅拌 80分钟;
(2) 向歩骤(1 )中的悬浮液中加入 0.09mmol的碘单质(国药集 团, 分析纯), 超声分散 50分钟;
(3 ) 用清洗好的 FTO导电玻璃作为电极,尺寸大小为:长 2.5cm, 宽 2.0cm, 放入到歩骤(2)中超声分散的悬浮液中, 用直流电源提供 70V 的电压, 加到两电极上, 两电极平行放置, 间距为 2.0cm, 沉积时间为三 分钟;
(4) 将歩骤(3 )中阴极上沉积的二氧化钒薄膜放入烘箱中, 80 °C, 90分钟烘干, 得到 FTO导电玻璃为衬底的二氧化钒薄膜。
本实施例所得到的 FTO导电玻璃为衬底的二氧化钒薄膜图片如说明 书附图 6所示, 总体上比较均匀致密, 表面光滑和 FTO导电玻璃衬底结 合的比较好, 长时间放置薄膜不脱落。 实施例 4:
( 1 ) 称量 5mg二氧化钒粉体加入到 60ml的无水乙醇溶液中, 配 置浓度为 0.08mg/ml的悬浮液, 搅拌 20分钟;
(2) 向歩骤 (1 ) 中的悬浮液中加入 0.006mmol的碘单质 (国药 集团, 分析纯), 超声分散 30分钟;
(3 ) 用清洗好的 FTO导电玻璃作为电极,尺寸大小为:长 2.5cm, 宽 2.0cm, 放入到歩骤(2)中超声分散的悬浮液中, 用直流电源提供 80V 的电压, 加到两电极上, 两电极平行放置, 间距为 3.5cm, 沉积时间为五 分钟;
(4) 将歩骤 (3 ) 中阳极上沉积的二氧化钒薄膜放置在空气中, 自然晾干, 得到 FTO导电玻璃为衬底的二氧化钒薄膜。 实施例 5:
( 1 ) 称量 150mg二氧化钒粉体加入到 20ml的丙酮溶液中, 配置 浓度为 7.5mg/ml的悬浮液, 搅拌 50分钟;
(2) 向歩骤(1 ) 中的悬浮液中加入 0.06mmol的碘单质(国药集团, 分析纯), 超声分散 30分钟;
(3 ) 用清洗好的 FTO导电玻璃作为电极, 尺寸大小为: 长 2.5cm, 宽 2.0cm, 放入到歩骤(2)中超声分散的悬浮液中, 用直流电源提供 20V 的电压, 加到两电极上, 两电极平行放置, 间距为 0.8 cm, 沉积时间为五 分钟;
(4) 将歩骤 (3 ) 中阴极上沉积的二氧化钒薄膜放入到烘箱中 50°C, 40分钟烘干, 得到 FTO导电玻璃为衬底的二氧化钒薄膜。 以上实施例的结果经过精确的测试, 均实现了二氧化钒薄膜的制备。 即, 本发明制造方法与现有的制备方法相比, 具有操作简单, 对设备要求 极低, 原料利用率高, 废液循环利用, 绿色无污染等显著的优点。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详 细的说明,但这些说明 不能被理解为限制本发明的范围,本发明的保 护范围由随附的权利要求书 限定, 任何在本发明权利要求基础之上的改动都视为 本发明的保护范围。