[发明专利]一种氧化铝-氧化锡复合纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合结构纳米管的制备方法，特别是涉及一种将原子层沉积方法（ALD）和静电纺丝技术相结合来制备氧化铝-氧化锡复合结构纳米管的方法。

背景技术

原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）是一种基于化学过程的薄膜沉积技术。多数ALD过程是两种化学物质参与反应，它们又被称为前驱体。这些前驱体按照先后次序曝露，在基底表面一次只进行一种物质的反应，重复这样的过程，一定厚度的薄膜得以沉积。ALD本质上说是一种自限的（即一次反应沉积的薄膜材料的量是恒定的）、连续的表面化学反应，这种方法可以在各种形状的基底上沉积不同组分且保型性很好的薄膜。ALD过程与化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）相似，但又有所不同，ALD反应是将CVD反应分成两个半反应，要反应的前驱体彼此保持分离，不直接发生气相间反应，只发生表面化学反应。由于自限和表面化学反应自身固有特点，ALD方法沉积薄膜能达到原子级别的控制。薄膜厚度能通过反应的循环数简单而精确控制，不同成分的多层膜也能直接得到，具有大面积、批量沉积薄膜的能力，薄膜具有优异的保型性和可重复性。这些优点使ALD技术在微纳米核心元器件制造领域得到越来越多的应用。静电纺丝是一种制备有机纳米纤维重要方法。聚合物分子放在注射器中，当溶液被打入通电的金属针头，高压电使针头尖端溶液形成Taylor锥，再被电场吸引到距离针头几英寸距离的目标物表面，喷出的聚合物经延展后而变为纳米级纤维。通过控制溶液的浓度和针头的直径，静电纺丝法可以得到直径50-1000nm的纤维。

将原子层沉积和静电纺丝两种技术相结合可以制备出大长径比且壁厚均匀的纳米管。纳米管相较纳米薄膜和纳米纤维具有更大的比表面积，这有利于气体分子与气敏材料充分接触，大大提高气体传感器的灵敏度和响应速度。氧化锡是一种常见的半导体材料，气体吸附前后能产生较大的电阻变化，具有良好的气敏性能，广泛应用于厚膜式和薄膜式半导体传感器中。运用原子层沉积和静电纺丝方法制备SnO₂纳米管并对其进行气敏测试，研究发现SnO₂纳米管对酒精、氢气、一氧化碳、氨气和二氧化氮气体的响应时间都小于5s，优异的性能来源于于氧化锡管状式的结构。研究人员发现SnO₂-ZnO核壳结构纳米纤维与纯ZnO、纯SnO₂纳米纤维相比，对CO探测性能极大提升，这主要由于复合纳米纤维的特殊结构。文献推测传感性能的提升和ZnO/SnO₂异质结构有关，充分的电子湮灭层导致复合纤维吸附、脱附气体时电阻发生更大的变化，气体探测灵敏度提升。基于以上两篇文献的启发，本发明将原子层沉积和静电纺丝两种方法相结合，以静电纺丝制得的高分子聚合物纳米纤维为牺牲模板，先后用原子层沉积的方法制备氧化铝和氧化锡复合纤维；在高温下将中间聚合物纤维烧掉后即得到氧化铝和氧化锡复合纳米管。先进的原子层沉积技术能使制备的纳米管壁厚均匀且大小任意精确调节；良好的重复性能保证复合纳米管质量的稳定性。

发明内容

本发明的目的针对当前技术的不足，提供一种复合结构纳米管的制备方法，即先运用静电纺丝的方法制备直径可控的聚合物纳米纤维，然后运用原子层沉积方法一次沉积氧化铝、和氧化锡薄膜，最后在高温下烧结掉中间的有机纤维得到氧化铝-氧化锡复合纳米管。该方法制备的纳米管管壁均匀，质量稳定，对其作为气敏材料提高现有半导体传感器的灵敏度和响应速度有很好的预期。

本发明提供一种氧化铝-氧化锡复合纳米管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

配置高分子聚合物溶液，用静电纺丝方法制备聚合物纤维；将纤维干燥箱中老化后，再用原子层沉积方法在纤维上制备氧化铝和氧化锡薄膜；最后将复合纤维高温下烧结得到氧化铝-氧化锡复合结构纳米管；

其中所述高分子聚合物为聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或其组合，所述高分子聚合物溶液的质量浓度为5～10%。

所述静电纺丝方法制备聚合物纤维，所加电压为8～15 KV，喂液速度为0.5～2ml/h。

所述老化为在温度为200 ℃的干燥箱中老化2小时。

所述原子层沉积方法制备氧化铝薄膜，所用沉积温度为120～200℃，将前驱体三甲基铝通入0.2秒脉冲时间，清洗脉冲时间为4s；通入水蒸汽脉冲0.2秒，清洗脉冲时间4秒，至此完成一个循环的氧化铝的沉积，通过控制循环数量得到一定厚度的氧化铝薄膜。