作为红色滤光片应用的α-Fe₂O₃薄膜制备方法

专利名称：作为红色滤光片应用的α-Fe₂O₃薄膜制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米材料制备和溶胶凝胶技术应用领域，具体为利用新型低温溶胶凝 胶路线制备α-Fe2O3薄膜的制备方法。
背景技术：
滤光片作为在现代彩色数字成像设备中的关键零件之一，其可将白光转化成红 色、绿色、蓝色三基色光。目前所使用的滤光片多由染料和颜料等有机成分所构成，它们具 有对目标波长的光高度透明和其它波长的光高拦截率的优点，但是它们的缺点是有机成分 在光和热的照射下的低稳定性。而在某些情况下，为了提高成像设备的性能，需要在高于 500°C的温度下进行加工，这些情况对于有机成分构成的滤光片是不适用的。无机滤光片可 克服稳定性的问题，而无机滤光片的问题是其滤光效率较低，需要较厚的膜厚度才可达到 较高的滤光效率，而以目前的制膜技术，无机厚膜会显著降低膜的透明度，这会影响无机滤 光片应用于高性能数字成像设备中。制备对于目标波长高透明性无机滤光片的关键在于构成膜的颗粒粒径要小于光 波长的一半、其粒度分布窄，且在膜中颗粒要分布均勻、无团聚。无机红色滤光片通常采用 α -Fe2O3作为工作物质，其颗粒粒径必须要小于310nm(红光波长范围为620_770歷)。在专 利CN200810116141. 4中采用液相沉积的办法制备α -Fe2O3薄膜，所制备的膜由0. 3-0. 6 μ m 的不规则颗粒组成。在专利CN 200910152888. X中提到一种制备α-Fe2O3薄膜溶胶凝胶 方法，其利用乙二醇作为分散机、乙二胺作为胶凝剂在30°C下形成溶胶，并经过涂膜、干燥 煅烧得到最终产品，然而在此专利中并未对薄膜进行表征，无法得知其颗粒大小、晶型等数 据。在专利US 5838106中，利用透明铁红(纳米Ci-Fe2O3)形成料浆并用丝网印刷的方法 制备红色滤光片，其对红光的透明度仅有80%。目前，各种采用α-Fe2O3作为工作物质的 红色滤光片在对其它波长高拦截率的情况下，对红光的透明度皆低于80%。发明技术本发明的目的在于利用新型低温溶胶凝胶路线，提供一种作为红色滤光片 α -Fe2O3薄膜的制备方法。利用有机胶凝剂的特殊结构和性质在室温下制备无团聚、高分 散性的溶胶，经过提拉法涂膜、干燥和煅烧形成对红光高度透明和对其它波长的光高拦截 率α -Fe2O3薄膜。本发明得到国家自然科学基金资助项目(20971107)的资助。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案的主要内容是采用有机胶凝剂，在无 机铁盐的混合溶液中，在水浴条件下搅拌发生溶胶凝胶反应，所得到的溶胶提拉法涂膜、干 燥和煅烧即可得到α-Fe2O3薄膜。作为红色滤光片应用的α -Fe2O3薄膜的制备方法，按如下步骤进行(1)在室温下将铁盐或亚铁盐加入醇中充分搅拌，至形成0. 1 0.6Μ(优选0.3 0. 5Μ)透明溶液；(2)加入胶凝剂，混合均勻后立即放入水浴中，搅拌反应至溶胶的颜色变为黑色；
(3)将所得到的黑色溶胶通过提拉法涂到玻璃衬底上，在室温下干燥；(4)将干燥后的膜煅烧，得作为红色滤光片应用的α -Fe2O3薄膜。前述的制备方法，优选的方案在于所使用的胶凝剂为甲基丙烯酸羟乙酯、六亚甲 基四胺、三氯乙酰胺、甲酸甲酯、甲酸乙酯、环氧甲烷、环氧乙烷、环氧丙烷中的一种或几种。前述的制备方法，优选的方案在于所使用的醇为甲醇或乙醇。前述的制备方法，优选的方案在于所使用的铁盐或亚铁盐为硝酸铁、氯化铁、氯 化亚铁中的一种或几种。前述的制备方法，优选的方案在于步骤(2)中胶凝剂的加入量为亚铁盐摩尔浓 度的4-7倍。更加优选的胶凝剂的加入量为亚铁盐摩尔浓度的6倍。前述的制备方法，优选的方案在于步骤(2)中水浴温度40 90°C，搅拌反应时 间2 4小时。前述的制备方法，优选的方案在于步骤(3)所述干燥所需时间为22-26小时(优 选24小时)。前述的制备方法，优选的方案在于步骤(4)所述煅烧的温度为500-550°C，时间 为2 5小时。更加优选的所述温度为520°C。本发明采用甲基丙烯酸羟乙酯、六亚甲基四胺等有机小分子作为胶凝剂，其在醇 类溶剂中有较高的溶解度，并和铁和亚铁离子有较高的反应速率。本发明为利用新型低温 溶胶凝胶路线制备红色滤光片应用的α-Fe2O3薄膜制备方法。表征结果表明，α-Fe2O3薄 膜由近球形纳米颗粒组成，颗粒的分布非常均勻，无团聚；其对红光的透明度在87%以上， 而吸收了大部分的其它波长的可见光。本发明采用廉价原料，所使用工艺简单，反应条件温 和，没有或极少量污染物排放，所形成的高质量α -Fe2O3薄膜可应用于高性能数字成像设 备中。除此之外，本发明的优点还体现在于1.采用廉价铁盐、亚铁盐、醇等低毒或无毒原料，对环境的污染极小。2.反应条件温和，工艺简单，对设备要求不高。3.制备的Ci-Fe2O3薄膜对红光的透明度极高，达到87%以上，高于目前其它技术 所制备的α-Fe2O3薄膜；可拦截绝大部分的其它波长可见光。


图1 α -Fe2O3的X射线衍射图；图2 α -Fe2O3薄膜的冷场发射扫描电镜照片；图3 α -Fe2O3薄膜的紫外可见光谱。
具体实施例方式下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。实施例1作为红色滤光片应用的α -Fe2O3薄膜的制备将氯化亚铁溶解于一定量 的甲醇中，配置成浓度为0. IM的透明盐溶液，然后加入和金属离子摩尔比率为6的有机胶 凝剂环氧丙烷，混合均勻后将溶液置入40°C水浴中搅拌反应2小时，再将得到的溶胶利用 提拉法在玻璃衬底上涂膜后在室温下干燥24小时，将膜在520°C煅烧2小时，得α -Fe2O3薄
参看图1 α -Fe2O3薄膜的X射线衍射图，可以判断图中衍射峰为α -Fe2O3的特征衍 射峰，且从其宽化峰可判断出其粒径处于纳米范畴。进一步从扫描电镜照片(图2)中可观 察到膜层由平均粒径为30-50nm的近球形纳米颗粒组成，颗粒的分布非常均勻，无团聚。紫 外可见光谱(图3)表明，其对红光的透明度在87%以上，而吸收了大部分的其它波长的可 见光。实施例2作为红色滤光片应用的α -Fe2O3薄膜的制备将氯化亚铁溶解于一定量 的甲醇中，配置成浓度为0. 6Μ的透明盐溶液，然后加入和金属离子摩尔比率为6的有机胶 凝剂甲酸甲酯，混合均勻后将溶液置入90°C水浴中搅拌反应4小时，再将得到的溶胶利用 提拉法在玻璃衬底上涂膜后在室温下干燥24小时，将膜在520°C煅烧5小时，得α -Fe2O3薄 膜。实施例3采用乙醇为溶剂，其它同实施例1。实施例4采用乙醇为溶剂，其它同实施例2。实施例5采用硝酸铁为原料，其它同实施例1。实施例6采用氯化铁为原料，其它同实施例1。实施例7采用硝酸铁为原料，其它同实施例2。实施例8采用氯化铁为原料，其它同实施例2。实施例9作为红色滤光片应用的α-Fe2O3薄膜的制备按如下步骤进行(1)在室 温下将氯化铁加入乙醇中充分搅拌，至形成0. IM透明溶液；(2)加入胶凝剂环氧乙烷，混合 均勻后立即放入水浴中，搅拌反应至溶胶的颜色变为黑色，水浴温度40°C，搅拌反应时间2 小时；(3)将所得到的黑色溶胶通过提拉法涂到玻璃衬底上，在室温下干燥22小时；(4)将 干燥后的膜煅烧，煅烧的温度为500°C，时间为2小时，得作为红色滤光片应用的α -Fe2O3薄 膜。实施例10作为红色滤光片应用的α -Fe2O3薄膜的制备按如下步骤进行⑴在 室温下将氯化亚铁加入甲醇中充分搅拌，至形成0. 6Μ透明溶液；(2)加入胶凝剂甲酸乙 酯，混合均勻后立即放入水浴中，搅拌反应至溶胶的颜色变为黑色，水浴温度90°C，搅拌反 应时间4小时；(3)将所得到的黑色溶胶通过提拉法涂到玻璃衬底上，在室温下干燥26小 时；(4)将干燥后的膜煅烧，煅烧的温度为550°C，时间为5小时，得作为红色滤光片应用的 α -Fe2O3 薄膜。实施例11作为红色滤光片应用的α -Fe2O3薄膜的制备按如下步骤进行(1)在 室温下将硝酸铁加入乙醇中充分搅拌，至形成0. 3Μ透明溶液；⑵加入胶凝剂环氧丙烷，混 合均勻后立即放入水浴中，搅拌反应至溶胶的颜色变为黑色，水浴温度70°C，搅拌反应时间 3小时；(3)将所得到的黑色溶胶通过提拉法涂到玻璃衬底上，在室温下干燥24小时；(4) 将干燥后的膜煅烧，煅烧的温度为520°C，时间为3小时，得作为红色滤光片应用的α -Fe2O3 薄膜。
权利要求
作为红色滤光片应用的α Fe2O3薄膜的制备方法，其特征是，按如下步骤进行(1)在室温下将铁盐或亚铁盐加入醇中充分搅拌，至形成0.1～0.6M透明溶液；(2)加入胶凝剂，混合均匀后立即放入水浴中，搅拌反应至溶胶的颜色变为黑色；(3)将所得到的黑色溶胶通过提拉法涂到玻璃衬底上，在室温下干燥；(4)将干燥后的膜煅烧，得作为红色滤光片应用的α Fe2O3薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所使用的胶凝剂为甲基丙烯酸羟乙酯、 六亚甲基四胺、三氯乙酰胺、甲酸甲酯、甲酸乙酯、环氧甲烷、环氧乙烷、环氧丙烷中的一种 或几种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所使用的醇为甲醇或乙醇。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所使用的铁盐或亚铁盐为硝酸铁、氯化 铁、氯化亚铁中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中胶凝剂的加入量为亚铁盐 摩尔浓度的4-7倍。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于胶凝剂的加入量为亚铁盐摩尔浓度的6倍。
7.如权利要求1-6任一所述的制备方法，其特征在于步骤⑵中水浴温度40 90°C， 搅拌反应时间2 4小时。
8.如权利要求1-6任一所述的制备方法，其特征在于步骤(3)所述干燥所需时间为 22-26小时。
9.如权利要求1-6任一所述的制备方法，其特征在于步骤(4)所述煅烧的温度为 500-550°C，时间为2 5小时。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于所述温度为520°C。
全文摘要
本发明涉及利用新型低温溶胶凝胶路线制备红色滤光片应用的α-Fe2O3薄膜制备方法，其采用有机胶凝剂，在无机铁盐的混合溶液中，在水浴条件下搅拌发生溶胶凝胶反应，所得到的溶胶提拉法涂膜、干燥和煅烧即可得到α-Fe2O3薄膜。表征结果表明，α-Fe2O3薄膜由近球形纳米颗粒组成，颗粒的分布非常均匀，无团聚；其对红光的透明度在87％以上，而吸收了大部分的其它波长的可见光。本发明采用廉价原料，所使用工艺简单，反应条件温和，没有或极少量污染物排放，所形成的高质量α-Fe2O3薄膜可应用于高性能数字成像设备中。
文档编号C03C17/23GK101993204SQ20101028683
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者崔洪涛 申请人:烟台大学