一种V₂O₅薄膜的电泳沉积制备方法

专利名称：一种V₂O₅薄膜的电泳沉积制备方法
技术领域：
本发明涉及一种V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，属于功能薄膜制备及性能技术领域。
背景技术：
V2O5具有稳定的结构，是一种重要的过渡金属氧化物，具有良好的层状结构，层间只存在较弱的相互作用。近年来，伴随着功能材料研究的热潮以及纳米技术的发展，V2O5的研究的取得了长足的发展和进步，不同形态结构的V2O5表现出独特的电子、离子和物理化学性能，且不同的实验方法以及不同的衬底上制备的V2O5薄膜，其电学、光学性质存在显著的差异，因此，在锂离子二次电池正极材料、智能窗、热辐射检测材料、传感器、电致变色显示材料、滤色片以及光学记忆材料等方面引起了研究者的极大兴趣，在电学、磁学和光学领域有着广泛的应用前景。制备V2O5薄膜的方法有真空蒸发镀膜法、溅射法、脉冲激光沉积法(PLD)、化学气相沉积(CVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、电泳沉积法等。溶胶-凝胶法是以无机盐或金属醇盐为前驱物，发生水解、聚合反应制备溶胶，进一步经水解缩聚过程使胶体颗粒长大逐渐凝胶化，再对凝胶进行干燥，在空气或保护气体中进行热处理，去除有机成分而得到所需的薄膜材料。这种方法采用低温化学手段，能够在相当小的尺寸范围内剪裁和控制材料的显微结构，使其均勻性达到亚微米级、纳米级甚至分子级水平，所有其产物具有均勻性好、 纯度高、颗粒细等优点。利用不同的钒源，通过此种方法可以获得由带状纳米粒子组成的 V2O5. IiH2O凝胶薄膜，制膜的方法有提拉法、旋涂法、喷涂法和刷涂法等，最常用的是提拉法和旋涂法。但这种方法也存在缺点和不足(1)前驱物不稳定，易水解；(2)溶胶与基片的相互作用，影响薄膜的粘附性；(3)薄膜后处理过程中，因为溶剂挥发和收缩率较大，使薄膜收缩不均勻而发生开裂脱落现象等。

发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中V2O5薄膜的制备工艺复杂、V2O5薄膜不稳定的问题，通过对V2O5进行电泳沉积，在基片上获得均勻、致密的V2O5薄膜，同时，提高V2O5薄膜的可控性，从而，提供一种不需要表面活性剂和催化剂、无需高温高压的V2O5薄膜制备方法。本发明V2O5薄膜的制备方法按以下步骤进行
(1)以分析纯V2O5为原料，H2O2为反应溶剂，按照一定比例配置溶液，然后在始终将温度保持在-2 +1° C的条件下，采用电磁搅拌和超声波搅拌结合的搅拌工艺，制备V2O5溶胶溶液；
(2)将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，在0 5°C的条件下，加载直流电压5 40V，沉积时间为1 6分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；
3(3)将步骤(2)中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥12 M小时，然后，将其放入电阻炉中进行热处理后，在基片上获得层状的V2O5薄膜。所述H2A的浓度为20 40wt%。所述步骤(1)中是按照V2O5 =H2O2=O. 6g 1. 5g:30mL 90mL的比例配置的溶液。所述步骤(1)采用电磁搅拌在1 5转/秒的搅拌速率下，向H2O2溶剂的中每20 40秒加入0. 05 0. 1克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌10 30分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用20 IOOKHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在-2 +1 ° C，促进晶粒细化，使溶液混合更加均勻，搅拌10 30分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在-2 +1° C条件下以备后用。所述步骤(2)中采用的基片为ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为1 10wt% 盐酸中浸泡(Γ5分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。所述步骤(2)中电极尺寸(阳极或阴极)为20 30mmX30 40mm，电极间距离为 10 40mmo所述步骤(3)中ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在5°(T30°C/min，将温度升至100 500°C，保温60 MOmin，然后随炉冷却。本发明的优点和积极效果
1、本发明用于制备V2O5薄膜，无需高温高压，在冰点附近进行，使得工艺简单；
2、本发明方法不需要表面活性剂和催化剂，对环境没有污染；
3、用本发明提供的方法制备的V2O5薄膜，结构致密均勻，厚度为0.1 0. SMffl,无裂纹等，性能稳定。


图1本发明的电泳装置示意图。图2本发明ITO导电玻璃衬底上15V电压沉积V2O5薄膜经300°C热处理的20000 倍的形貌图。图3本发明ITO导电玻璃衬底上15V电压沉积V2O5薄膜经300°C热处理的后的 XRD衍射图。图4本发明ITO导电玻璃衬底上15V电压沉积V2O5薄膜经500°C热处理的30000 倍的形貌图。图5本发明ITO导电玻璃衬底上15V电压沉积V2O5薄膜经500°C热处理的后的 XRD衍射图
图6本发明沉积电压为15V时制备的V2O5薄膜经不同温度热处理后的透射谱。图7本发明不同沉积电压制备的V2O5薄膜经400°C热处理后的透射谱。
具体实施方式
实施例1
(1)以分析纯V2O5为原料，浓度为25wt%的H2A为反应溶剂，按照V2O5=H2O2=Ig: 50mL的比例配置的溶液，然后在始终将温度保持在-2° C的条件下，采用电磁搅拌在3转/秒的搅拌速率下，向H2A溶剂的中每20秒加入0. 05克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌10分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用SOKHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在-2 °C，促进晶粒细化，使溶液混合更加均勻，搅拌10分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在-2° C条件下以备后用；
(2)将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，电极尺寸(阳极或阴极)为^mmX 40mm，电极间距离为20mm，在0°C的条件下，加载直流电压15V，沉积时间为2分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；采用的基片为 ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为lwt%盐酸中浸泡5分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)将步骤(2)中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥12小时，将ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在10°C/min，将温度升至300°C，保温60min，然后随炉冷却，在基片上获得层状的V2O5薄膜，结构致密均勻， 厚度为0. 1 0. SMfli,无裂纹等，性能稳定。图2为获得的V2O5薄膜表面形貌，图3为其XRD 衍射图。实施例2
(1)以分析纯V2O5为原料，浓度为20wt%的H2A为反应溶剂，按照V2O5=H2O2=O. 6g:30mL 的比例配置的溶液，然后在始终将温度保持在0° C的条件下，采用电磁搅拌在1转/秒的搅拌速率下，向H2A溶剂的中每30秒加入0. 1克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌20分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用20KHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在0°C，促进晶粒细化，使溶液混合更加均勻，搅拌15分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在0° C条件下以备后用；
(2)将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，电极尺寸(阳极或阴极)为20mmX35mm，电极间距离为10mm，在2°C的条件下，加载直流电压15V，沉积时间为6分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；采用的基片为 ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为2wt%盐酸中浸泡4分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)将步骤(2)中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥18小时，将ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在5°C/min，将温度升至500°C，保温lOOmin，然后随炉冷却，在基片上获得层状的V2O5薄膜，结构致密均勻， 厚度为0. 1 0. SMfli,无裂纹等，性能稳定。图4为获得的V2O5薄膜表面形貌，图5为其XRD 衍射图，图6为其透射谱。实施例3 (1)以分析纯V2O5为原料，浓度为40wt%的H2A为反应溶剂，按照V2O5=H2O2=L 5g:90mL 的比例配置的溶液，然后在始终将温度保持在1° C的条件下，采用电磁搅拌在5转/秒的搅拌速率下，向H2A溶剂的中每40秒加入0. 08克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌30分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用IOOKHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在1°C，促进晶粒细化，使溶液混合更加均勻，搅拌30分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在1°C条件下以备后用；
(2)将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，电极尺寸(阳极或阴极)为30mmX30mm，电极间距离为40mm，在5°C的条件下，加载直流电压20V，沉积时间为1分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；采用的基片为 ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为10wt%盐酸中浸泡1分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)将步骤(2)中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥M小时，将ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在30°C/min，将温度升至400°C，保温MOmin，然后随炉冷却，在基片上获得层状的V2O5薄膜，结构致密均勻，厚度为0. 1 0. SMffl，无裂纹等，性能稳定。如图7所示透射谱。实施例4
(1)以分析纯V2O5为原料，浓度为30wt%的H2A为反应溶剂，按照V2O5=H2O2=O. 8g:80mL 的比例配置的溶液，然后在始终将温度保持在1°C的条件下，采用电磁搅拌在4转/秒的搅拌速率下，向H2A溶剂的中每40秒加入0. 08克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌15分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用90KHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在1°C，促进晶粒细化，使溶液混合更加均勻，搅拌18分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在1°C条件下以备后用；
(2)将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，电极尺寸(阳极或阴极)为22mmX32mm，电极间距离为30mm，在4°C的条件下，加载直流电压25V，沉积时间为4分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；采用的基片为 ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为8wt%盐酸中浸泡3分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)将步骤(2)中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥20小时，将ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在18°C/min，将温度升至400°C，保温MOmin，然后随炉冷却，在基片上获得层状的V2O5薄膜，结构致密均勻，厚度为0. 1 0. SMffl，无裂纹等，性能稳定。如图7所示透射谱。实施例5 与实施例4的制备步骤相同，其中加载直流电压为15 V，最终得到层状的V2O5薄膜，结构致密均勻，厚度为0. 1 0. SMffl，无裂纹等，性能稳定。如图7所示透射谱。实施例6 与实施例2的制备步骤相同，其中加载电压为5V，热处理温度升至 IOO0C，结构致密均勻，厚度为0. 1 0. SMffl,无裂纹等，性能稳定，最终得到层状的V2O5薄膜。
实施例7:与实施例1制备步骤相同，其中加载电压为40V，热处理温度升至 IOO0C，结构致密均勻，厚度为0. 1 0. SMffl,无裂纹等，性能稳定，最终得到层状的V2O5薄膜。
权利要求
1.一种V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，其特征在于制备步骤包括如下(1)以分析纯V2O5为原料，H2O2为反应溶剂，按照一定比例配置溶液，然后在始终将温度保持在-2 +1° C的条件下，采用电磁搅拌和超声波搅拌结合的搅拌工艺，制备V2O5溶胶溶液；(2)将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，在0 5°C的条件下，加载直流电压5 40V，沉积时间为1 6分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；(3)将步骤(2)中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥12 M小时，然后，将其放入电阻炉中进行热处理后，在基片上获得层状的V2O5薄膜。
2.根据权利要求书1所述的V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，其特征在于所述H2A的浓度为20 40wt%。
3.根据权利要求书1所述的V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，其特征在于所述步骤(1) 中是按照V2O5 =H2O2=O. 6g 1. 5g:30mL 90mL的比例配置的溶液。
4.根据权利要求书1所述的V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，其特征在于所述步骤(1) 采用电磁搅拌在1 5转/秒的搅拌速率下，向H2A溶剂中每20 40秒加入0. 05 0. 1 克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌10 30分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用20 IOOKHz的超声波继续振荡搅拌，超声波清洗器内保持温度在-2 +1°C，促进晶粒细化，使溶液混合更加均勻，搅拌10 30分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在-2 +1° C条件下以备后用。
5.根据权利要求书1所述的V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，其特征在于所述步骤(2) 中采用的基片为ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为1 10wt%盐酸中浸泡(Γ5分钟， 然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。
6.根据权利要求书1所述的V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，其特征在于所述步骤(2) 中电极尺寸为20 30mmX30 40mm，电极间距离为10 40mm。
7.根据权利要求书1所述的V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，其特征在于所述步骤(3)中ITO导电玻璃和衬底上的薄膜一同放入电阻炉中进行热处理，升温速率控制在 5°(T30°C/min，将温度升至100 500°C，保温60 MOmin，然后随炉冷却。
全文摘要
本发明涉及了一种V2O5薄膜的电泳沉积制备方法，属于功能薄膜制备及性能技术领域。以V2O5为原料，H2O2为反应溶剂，将纯V2O5和20～40wt%的H2O2溶液按照V2O5H2O2=0.6g～1.5g:30mL～90mL混合，采用电磁-超声波混合搅拌方式制取V2O5溶胶，然后通过电泳沉积的方法在ITO导电玻璃上沉积V2O5薄膜，最后对薄膜进行热处理，获得层状的V2O5薄膜。本发明方法不需要表面活性剂和催化剂、无需高温高压，具有工艺操作简单、成本低、形成的V2O5薄膜结构致密性好等优点。
文档编号C25D13/02GK102400199SQ20111042245
公开日2012年4月4日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者刘建雄, 刘忠, 张卫伟, 张晓娟, 彭雁, 李莉, 詹肇麟 申请人:昆明理工大学