[发明专利]一种制备沿c轴取向生长的五氧化二钒薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学化工技术领域，尤其涉及一种制备沿c轴生长的五氧化二钒薄膜的方法。

背景技术

钒氧化合物具有广泛的用途，其中五氧化二钒晶体具有层状结构，易沿(001)面裂开，从而将里面最强的钒氧键暴露出来，该键比较活泼，氧原子易脱出而剩下阴离子空位，容易嵌入阳离子。由于该性质，五氧化二钒(V₂O₅)薄膜可用于电致变色、锂电池的电极材料、热激发电子开关、气湿敏传感器等方面，引起人们的极大兴趣。在这些应用中，五氧化二钒薄膜主要作为离子储存膜，其性能的好坏对器件的性能影响很大。研究表明，沿着c轴生长的、具有层状结构的五氧化二钒薄膜的释放和储存离子的能力是最强的。以作为锂电池的阴极为例，五氧化二钒薄膜具有高能量密度、高充放电容量和易于加工的特点，具有单一c轴取向、层状的五氧化二钒薄膜有利于锂离子的嵌入和脱嵌。因此寻找工艺简单的、沿c轴取向生长性好的五氧化二钒薄膜的制备方法意义重大。

已公开报道的制备沿c轴高度取向生长的五氧化二钒薄膜的方法主要有激光脉冲沉积法、电泳沉积法和溶胶-凝胶法。前一种方法设备复杂，工艺不容易控制，所制备的样品沿c轴取向生长不明显，后两种方法不能很好的控制晶粒尺寸，生长取向杂乱。

本发明以溶胶-凝胶法为基础，选用原料二乙酰丙酮氧钒[VO(C₅H₇O₂)₂]作为前驱物，与传统的三异丙醇氧钒、五氧化二钒粉末相比，具有毒性小、成本低、形成的溶胶比较稳定等优点。将VO(C₅H₇O₂)₂形成的溶胶通过先提拉或旋涂成膜，然后再热处理，即可在玻璃衬底上制备出高c轴取向生长的五氧化二钒薄膜。

发明内容

本发明针对现有制备方法设备和工艺复杂、薄膜生长取向性差的缺点，提出一种设备及工艺简单的制备c轴取向生长的五氧化二钒薄膜的方法。

本发明是通过下列步骤实现的：

(1)以二乙酰丙酮氧钒为原料，配制成溶胶；

(2)以此溶胶为涂覆液，在清洗干净的衬底材料上，采用提拉涂膜法或者旋涂法成膜；

(3)在含氧气氛中进行热处理。

制备二乙酰丙酮氧钒溶胶的步骤为：将二乙酰丙酮氧钒与无水乙醇或无水甲醇混合，搅拌4-10小时，静置1-60天使其陈化，得到深红棕色的溶胶，陈化时间最好为14-16天，陈化时间短，成膜不均匀，陈化时间太长，则粘度太大。溶胶浓度在0.1-0.7mol/L之间，以0.125mol/L最佳。

衬底材料可以是玻璃，也可以是能耐受550℃的金属或陶瓷材料。衬底材料必须清洗干净。以玻璃衬底为例对工艺过程加以说明。成膜前，将玻璃衬底清洗干净，然后用热风吹干。为防止玻璃衬底中的杂质粒子在热处理过程中扩散到五氧化二钒薄膜之中，成膜之前最好在玻璃衬底上先预镀一层二氧化硅阻挡层。

所述步骤(2)中的成膜方法为：

可采用浸渍提拉法成膜，即将衬底材料浸渍在二乙酰丙酮氧钒溶胶中，匀速提拉出来，提拉速度为1-10厘米/分钟，然后在80℃烘箱中烘干。

也可以采用旋转涂膜法成膜，即将衬底材料平放在水平转盘上的中心，滴加溶胶，然后使转盘旋转，旋转速度为1000～3000转/分钟，使溶胶在离心力的作用下平铺在处理过的衬底上，将得到的湿凝胶放在80℃的烘箱中烘干。

重复以上的成膜过程可使薄膜达到需要的厚度。提拉法成膜的次数在10-20次之间，旋涂法涂膜的次数在2-5次之间。对于浓度为0.125mol/L的溶胶，最佳的提拉成膜次数是15次，旋转涂膜次数是4次。得到的薄膜厚度约100-300nm。涂膜次数过少则膜层较薄(小于50nm)，结晶性不好，次数过多，则太厚(大于400nm)，会影响光学性质。

所述步骤(3)中的热处理步骤为：

将涂覆有二乙酰丙酮氧钒溶胶的玻璃，在空气或者氧分压不低于0.1Pa的氮气、氩气等惰性气体中进行热处理，热处理温度为350-550℃，保温时间为30分钟～1小时，自然冷却得到五氧化二钒薄膜。在空气中得到薄膜结晶性能好，但附着力差些；在氧分压不低于0.1Pa的氮气、氩气等惰性气体中进行热处理，薄膜结晶性能好，且附着力强。如在无氧或氧分压不低于0.1Pa的环境下进行热处理，将不利于晶态五氧化二钒薄膜的生成，极有可能形成低价态或非晶态的钒氧化物。