[发明专利]一种二氧化钒片状薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及了一种二氧化钒片状薄膜及其制备方法，尤其涉及应用阳极氧化的方法进行沉积镀膜，随后在一定温度范围内退火处理，最终于基质表面一次性得到片状结构薄膜的方法。

背景技术

过渡金属元素钒具有优异的物理、化学等性能，有金属“维生素”之称，它广泛应用于航空航天、冶金、材料、化工、能源、光电等诸多领域。钒的氧化物中有很多具有奇异的相变特性，而其中二氧化钒（VO₂）因为转变温度最接近室温而倍受关注，美国橡树岭国家实验室等世界最先进的研究机构都纷纷投入到对它的研究中，相关研究成果已发表于《Science》等期刊，如M.M.Qazilbash等。伴随着外界的温度变化，VO₂会自发地进行半导体相与金属相的相互转变，同时会伴随电阻率、磁化率、光透射率和反射率的突变。独特的热致相变特性，为VO₂作为功能材料在航天器自动控温涂层、太阳能温控装置、激光防护、光存储、温度传感、光电开关材料、智能玻璃等领域提供了广阔的应用前景。

在实际应用中，由于VO₂在金属相—半导体相的转变过程中会出现较小的原子位移，体积膨胀系数约为0.044%，这容易导致VO₂晶体材料在经历反复相变后发生开裂。研究发现，通过将其制成薄膜形态，可以充分减小相位间应力，从而有效地避免开裂的发生，保证了功能材料的稳定与可靠性。而将薄膜制备成片状则可以充分提高它的有效接触面积，从而更好地发挥其优异的特性。目前已经开发出许多相关的制备方法与工艺，中国专利（公开号CN102212782），中国专利（公开号CN102747325）均采用磁控溅射镀膜的方法在玻璃衬底上直接低温沉积二氧化钒薄膜，会产生较多杂质相，而且生产过程中需要大型设备并且精确控制各项参数，限制了推广与应用。中国专利（公开号CN102064323）、中国专利（公开号CN102020314）等采用水热法制备二氧化钒，反应限制于反应釜中，首先要制备成二氧化钒纳米粉体，再二次溶解涂覆成膜，其制备条件较苛刻，反应周期长，薄膜厚度以及均匀致密性不易控制。因此，需要开发一种可以简便、高效地制备出形貌可控，性能优异的二氧化钒薄膜的方法。

在一定电压范围内进行阳极氧化沉积制备薄膜，离子从电解液中输送到电极表面并放电，原子进入晶格促使晶体开始生长。固相生成时会产生结晶过电位，在一定范围内，结晶过电位越高，晶核形成的数目就越多，从而使晶核尺寸随之变小，最终得到更加细密的镀层组织结构。因此，应用阳极氧化的方法，简便高效，可以制备出更加均匀细密的VO₂薄膜，通过将电压、pH值控制在一定范围内，可以有效地实现对薄膜形貌和性能的调控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过阳极氧化沉积制备二氧化钒片状薄膜的方法，主要为解决目前制备二氧化钒薄膜存在的一些问题。

为了解决二氧化钒薄膜制备过程中遇到的诸如磁控溅射法在成膜过程中先成膜后成相，产生较多杂质相；水热法需要二次制膜，反应条件苛刻，实验周期长，难以应用于大规模的工业化生产中；溶胶-凝胶法所得产物退火处理过程中容易因收缩而发生变形，产物性能不够稳定等问题，本发明公开了一种应用阳极氧化制备片状薄膜的方法。该方法简便高效，可以制备出更加均匀细密的二氧化钒薄膜，通过将电压、pH值控制在一定范围内，可以有效地实现对薄膜形貌和性能的调控。

具体技术方案如下：

一种二氧化钒片状薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将四价的钒的化合物溶于醇与去离子水按体积比为0:1-1:1配制的混合液中，溶质浓度0.01-10mol/L；

（2）向上述溶液中加入辅助剂与分散剂，搅拌20-70分钟，超声分散20-70分钟，得到澄清溶液；

（3）通过填加酸碱调节溶液的pH值达到2-4，陈化2-3天；

（4）将依次经过醇类、酮类、酸类、去离子水清洗并烘干的基板与电极平行放入电解液，间距1-5cm，加载电压1.5-5V，通电1-100分钟，进行阳极氧化沉积镀膜；

（5）镀膜结束后，将样品于20-120℃下干燥20-70分钟，随后在非氧化性气氛，200-700℃下退火处理1-24小时，最终得到二氧化钒片状薄膜。

歩骤（1）所述的钒的四价化合物选自硫酸氧钒、草酸钒、氯氧钒中的至少一种；所述醇为甲醇、乙醇、正丙醇中的一种或一种以上。