一种溶胶-凝胶法制备五氧化二钒薄膜的方法与流程

一种溶胶
‑
凝胶法制备五氧化二钒薄膜的方法
技术领域
1.本发明涉及一种制备五氧化二钒薄膜的方法。


背景技术：

2.v2o5能够与锂反应生成钒酸锂，而且由于其特殊的层状结构，v2o5薄膜在作为锂离子电池阴极材料时，能够使锂离子电池具有远高于目前商业应用的电池容量，具有广阔的应用潜力。v2o5薄膜表面吸附的气体分子会导致表面的状态发生改变：通过氢键和钒氧层发生作用，使其导电性发生改变。v2o5薄膜也可用于气敏、湿敏传感器。v2o5具有半导体
‑
金属相变，在温度大于257℃时为金属态，对红外光有高反射率和低透过率，使激光不能对红外探测器造成损伤，故其相变特性使v2o5薄膜可用于激光防护器件。
3.目前v2o5薄膜制备方法有真空蒸镀法、溅射法脉冲激光融覆、溶胶
‑
凝胶法(sol
‑
gel)等，真空蒸镀法与溅射法制得的薄膜中氧空位较多、工艺稳定性差、沉积速率低，且通常含有低价态的钒氧化物；常用的溶胶
‑
凝胶法如熔融淬冷法需要高温熔融v2o5粉末，且需要很长的陈化时间，制备周期长，薄膜通常粗糙多孔，质量不高。


技术实现要素：

4.本发明要解决现有真空蒸镀法与溅射法制备的v2o5薄膜存在氧空位较多、工艺稳定性差、沉积速率低，含有低价态的钒氧化物的问题；溶胶
‑
凝胶法制备v2o5薄膜时需要高温熔融v2o5粉末，陈化时间长，制备周期长，薄膜通常粗糙多孔，质量不高的问题，而提供一种溶胶
‑
凝胶法制备五氧化二钒薄膜的方法。
5.一种溶胶
‑
凝胶法制备五氧化二钒薄膜的方法，它是按照以下步骤进行的：
6.一、制备v2o5溶胶：
7.向无水乙醇中加入vocl3液体，搅拌均匀，静置5min～20min，得到vo(oc2h5)3溶液，在搅拌条件下，向vo(oc2h5)3溶液中逐滴滴入蒸馏水，搅拌均匀，得到v2o5溶胶，最后老化，得到老化后的v2o5溶胶；
8.所述的vocl3液体与无水乙醇的摩尔比为1:(100～400)；所述的vocl3液体与蒸馏水的摩尔比为1:(5～50)；
9.二、沉积成膜：
10.①
、利用成膜法，将老化后的v2o5溶胶在基体上成膜，然后在温度为100℃～300℃的条件下，热处理0.5h～1.5h，得到单层v2o5薄膜；
11.所述的基体为在蒸馏水、无水乙醇及丙酮中依次超声清洗，烘干得到；
12.②
、重复步骤二
①
多次，得到纳米至微米级的v2o5薄膜。
13.本发明的有益效果是：
14.本发明vocl3与无水乙醇反应得到钒醇盐，形成稳定的溶液体系，在加入去离子水后可反应获得v2o5。且薄膜中氧空位较少，不存在低价的钒氧化物。
15.本发明制备的薄膜为v2o5溶胶在基体表面通过物理吸附与化学吸附沉积，干燥后
经过脱水脱溶剂成为凝胶形成，故表面致密光滑平整、质量稳定，且可在复杂性质基体上沉积。
16.本发明由于单次吸附沉积所得的薄膜厚度较薄，故可通过控制循环沉积的次数控制薄膜的厚度，同时溶胶凝胶法沉积的薄膜生长速度较快且生长速度较为稳定。
17.该反应可在常温条件下发生，无需任何复杂设备、制备工艺简单、制备周期短、能源消耗低。
18.本发明用于一种溶胶
‑
凝胶法制备五氧化二钒薄膜的方法。
附图说明
19.图1为实施例一步骤二
②
制备的v2o5薄膜的afm三维照片；
20.图2为实施例一步骤二
②
制备的v2o5薄膜的x
‑
射线光电子谱；
21.图3为实施例一步骤二
②
制备的v2o5薄膜放大100000倍sem照片；
22.图4为实施例一步骤二
②
制备的v2o5薄膜xps分析的v2p、o1s结合能精细图谱；
23.图5为实施例二步骤二
②
制备的v2o5薄膜的实物照片，(a)为1:3:250，(b)为1:4:250，(c)为1:5:250，(d)为1:10:250，(e)为1:20:250。
具体实施方式
24.本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
25.具体实施方式一：本实施方式所述的一种溶胶
‑
凝胶法制备五氧化二钒薄膜的方法，它是按照以下步骤进行的：
26.一、制备v2o5溶胶：
27.向无水乙醇中加入vocl3液体，搅拌均匀，静置5min～20min，得到vo(oc2h5)3溶液，在搅拌条件下，向vo(oc2h5)3溶液中逐滴滴入蒸馏水，搅拌均匀，得到v2o5溶胶，最后老化，得到老化后的v2o5溶胶；
28.所述的vocl3液体与无水乙醇的摩尔比为1:(100～400)；所述的vocl3液体与蒸馏水的摩尔比为1:(5～50)；
29.二、沉积成膜：
30.①
、利用成膜法，将老化后的v2o5溶胶在基体上成膜，然后在温度为100℃～300℃的条件下，热处理0.5h～1.5h，得到单层v2o5薄膜；
31.所述的基体为在蒸馏水、无水乙醇及丙酮中依次超声清洗，烘干得到；
32.②
、重复步骤二
①
多次，得到纳米至微米级的v2o5薄膜。
33.本具体实施方首先应对基体进行清洗，影响成膜质量的关键因素是v2o5溶胶溶液质量。vocl3与乙醇反应生成vo(oc2h5)3以及水解形成v2o5溶胶过程须在搅拌器中进行，使反应充分均匀的进行。三氯氧钒、水、无水乙醇的摩尔比对溶胶的黏度影响极大，而黏度也是控制成膜质量及沉积速度的重要因素，形成溶胶后，通过提拉、旋涂、喷淋等使溶胶粒子吸附在基体上，热处理凝胶化后形成v2o5薄膜。影响薄膜成膜厚度的主要因素是前驱体溶液浓度和循环次数，影响薄膜质量的主要因素是清洗质量、热处理工艺。
34.本实施方式的有益效果是：
溶液，在转速为75rpm的搅拌条件下，以滴加速度为0.1ml/s，向vo(oc2h5)3溶液中逐滴滴入蒸馏水直至滴入蒸馏水体积达到1.24ml，搅拌均匀，得到v2o5溶胶，最后用铝箔盖好防尘，阴凉干燥处静置老化24h，得到老化后的v2o5溶胶；
53.二、沉积成膜：
54.①
、将基体垂直插入老化后的v2o5溶胶中，插入1min后，以5cm/min的速度垂直提拉基体，然后垂直悬挂于干燥箱中，在温度为200℃的条件下，热处理30min，得到单层v2o5薄膜；
55.②
、重复步骤二
①
4次，得到v2o5薄膜。
56.步骤一中向50ml无水乙醇中加入0.34ml vocl3液体经换算无水乙醇中三氯氧钒的浓度为0.04mol/l。经换算所述的vocl3液体：蒸馏水：无水乙醇的摩尔比为1:20:250；
57.步骤二
②
制备的v2o5薄膜为橙黄色。
58.步骤二中所述的基体具体是按以下步骤进行预处理：将基体浸入蒸馏水中，在温度为25℃的条件下，超声振荡清洗10min，去除玻璃表面吸附的水溶性离子，然后浸入无水乙醇中，在温度为25℃的条件下，超声振荡清洗10min，洗去表面的极性有机物，再浸入丙酮中，在温度为25℃的条件下，超声振荡清洗10min，洗去非极性有机物，最后放入烘箱中在温度为80℃的条件下烘干备用。
59.步骤二中所述的基体为高纯石英玻璃，尺寸为40mm
×
10mm。
60.经测试实施例一步骤二中制备单层v2o5薄膜厚度约为20nm，步骤二
②
所述的v2o5薄膜厚度为94nm，说明溶胶凝胶法沉积的薄膜生长速度较快且生长速度较为稳定。
61.图1为实施例一步骤二
②
制备的v2o5薄膜的afm三维照片；由图可知，薄膜表面几乎无颗粒状凸起，特征尺度非常小，表面非常平整。
62.图2为实施例一步骤二
②
制备的v2o5薄膜的x
‑
射线光电子谱；由图可知，沉积层成分v:o＝1:2.35，接近理想的1:2.5，说明薄膜中氧空位较少，化学计量比纯净。
63.图3为实施例一步骤二
②
制备的v2o5薄膜放大100000倍sem照片；由图可知，薄膜整个表面致密且平整光滑，镀膜质量非常高。
64.图4为实施例一步骤二
②
制备的v2o5薄膜xps分析的v2p、o1s结合能精细图谱；由图可知，v2p只出现一种状态，v2p
3/2
峰位置在517.04ev，v2p
1/2
在524.35ev处，这是5价钒的电子状态，表明薄膜为v2o5，不存在低价的钒氧化物。
65.实施例二：本实施例与实施例一不同的是：所述的vocl3液体：蒸馏水：无水乙醇的摩尔比为1:3:250、1:4:250、1:5:250、1:10:250及1:20:250；步骤二
②
中重复步骤二
①
1次，得到v2o5薄膜。其它与实施例一相同。
66.图5为实施例二步骤二
②
制备的v2o5薄膜的实物照片，(a)为1:3:250，(b)为1:4:250，(c)为1:5:250，(d)为1:10:250，(e)为1:20:250；由图可知沉积层均呈橙黄色，特征类似，且对试样进行成分分析，其原子比v:o＝1:2.2～2.5。
67.实施例三：本实施例与实施例一不同的是：步骤二
①
将老化后的v2o5溶胶在基体涂满，然后将涂覆后的基体固定在旋转涂膜机的转盘上，在转速为2000rpm的条件下，旋转45s。其它与实施例一相同。
68.实施例四：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中所述的基体为硅片，尺寸为40mm
×
10mm。其它与实施例一相同。