一种多孔氧化物薄膜的制备方法与流程

本发明属于氧化物薄膜材料制备领域，特别涉及一种多孔氧化物薄膜的制备方法。

背景技术：

氧化物薄膜材料，尤其是多孔氧化物薄膜材料由于具有独特的物理化学性能，是目前研究的热点。特别是当多孔氧化物薄膜材料的孔径达到纳米级别时，大的比表面积、显著量子效应和局域表面增强效应等突出优势，使得多孔氧化物薄膜材料在气敏传感、催化反应、锂电池等领域受到了研究人员的青睐。目前制备多孔氧化物薄膜的方法主要分为两类：第一类是使用造孔剂，例如聚苯乙烯微球、聚乙二醇、碳酸盐等，在制备薄膜掺入造孔剂，在高温烧结过程当中，造孔剂气化从而产生孔洞；第二类是使用模板法，在多孔阳极氧化铝模板上生长多孔氧化物薄膜。造孔剂法对环境污染较大，且制造出来的孔的大小及分布不均匀，很难制造出高质量的多孔氧化物薄膜。模板法的制造成本通常较为昂贵，不利于工业量产。

zno、sno2、fe2o3、tio2、la2o3、zro2、v2o5等多孔氧化物薄膜材料具有优异的物理和化学性能，可在电子信息器件、发光器件、光催化降解、催化反应、太阳能电池、锂电池等领域发挥重要作用。因此，提供一种低成本，高质量又环保的制备多孔氧化物薄膜材料的方法十分有必要。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种可用于光电传感器、气敏传感器、光催化降解等领域的多孔氧化物薄膜的制备方法，且该制备方法工艺简单，成本低。

本发明的目的通过以下技术方案来实现。

一种多孔氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)非晶态氧化物薄膜的制备：将清洗干净的衬底放入磁控溅射真空室(由北京泰科诺有限公司提供，型号为jcp500磁控溅射系统)中，在室温下抽真空至真空度为0.0001pa以上，通入0.1-0.48pa的氩气，使用105-145w的功率溅射氧化物靶材(由中诺新材(北京)科技有限公司提供，纯度99.9％以上)，在衬底上沉积非晶态氧化物薄膜，备用；

(2)高温烧结处理：将步骤(1)制备的非晶态氧化物薄膜转移到箱式炉(由合肥科晶材料技术有限公司提供，型号为ksl-1100x-l)中，以每分钟10-90℃的升温速率加热至700-900℃，并保温20-50分钟，然后降温至室温，制备得到所述多孔氧化物薄膜。

所述衬底选自硅、蓝宝石、sio2中的一种，优选硅。

步骤(1)中氧化物薄膜的厚度为50-200nm，优选100-150nm。

步骤(1)中所述氧化物为zno、sno2、fe2o3、tio2、la2o3、zro2或v2o5中的至少一种，可选la2o3或v2o5，优选zno或sno2。

优选的，步骤(1)中通入0.2-0.48pa的氩气。

优选的，步骤(1)中使用110-140w，更优选130-140w的功率溅射氧化物靶材。

优选的，步骤(2)中以每分钟10-50℃的升温速率加热至750-850℃。

可选的，步骤(2)中保温的时间为30-50分钟，或者可选20-25分钟，或者可选25-45分钟。

在快速升温过程中，特别是高温阶段，非晶态氧化物迅速结晶，原子重新规则排列，薄膜相当部分的地方会发生收缩，从而形成孔洞。

所述多孔氧化物薄膜用于光电探测器、气敏探测器和光催化降解等方面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明适用范围广，可以制备zno、sno2、fe2o3、tio2、la2o3、zro2、v2o5等多种氧化物多孔薄膜材料。

(2)制备设备成熟，工艺简单，无需模板或者造孔剂，方便生产，显著降低生产成本。

(3)本发明制备多孔氧化物薄膜适用范围广，可以在电探测器、气敏探测器和光催化降解等领域发挥积极作用。

附图说明

图1是本发明实施例2制备的zno多孔薄膜的x射线衍射(xrd)图谱。

图2是本发明实施例2制备的zno多孔薄膜的扫描电子显微镜(sem)图片。

图3是本发明实施例3制备的sno2多孔薄膜的低倍sem图片。

图4是本发明实施例3制备的sno2多孔薄膜的高倍sem图片。

具体实施方式

为了让本领域技术人员更清楚本发明所述技术方案，现列举以下实施例，但本发明保护的范围不受限于列举的实施例。

实施例1

一种多孔氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)非晶态sno2薄膜的制备：将清洗干净的蓝宝石衬底放入磁控溅射真空室中，在室温下，在室温下抽真空至真空度为0.0001pa时，通入0.1pa的氩气，使用105w的功率溅射sno2靶材，在衬底上沉积厚度为50nm的非晶态sno2薄膜，备用；

(2)高温烧结处理：将步骤(1)制备的非晶态sno2薄膜转移到箱式炉中，以每分钟10℃的升温速率加热至700℃，并保温20分钟，然后降温至室温，制备得到多孔sno2薄膜。

实施例2

一种多孔氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)非晶态zno薄膜的制备：将清洗干净的硅衬底放入磁控溅射真空室中，在室温下，抽真空至真空度为0.0001pa以上时，通入0.2pa的氩气，使用140w的功率溅射zno靶材，在衬底上沉积厚度为100nm的非晶态zno薄膜，备用；

(2)高温烧结处理：将步骤(1)制备的非晶态zno薄膜转移到箱式炉中，以每分钟10℃的升温速率加热至800℃，并保温30分钟，然后降温至室温，制备得到多孔zno薄膜。

如图1所示，本实施例制备的多孔zno薄膜的xrd图谱。从图中可以看到，(002)和(004)均为多孔zno薄膜特征峰，且多孔zno薄膜以(002)方向择优重新结晶，且(002)的半峰宽为0.15°，这说明多孔zno薄膜具有较高的结晶性能。图2是本实施例制备的多孔zno薄膜。从图中可以观察到较多的纳米级的孔洞，孔洞分布较为均匀，孔洞的直径主要为150-250nm。

实施例3

一种多孔氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)非晶态sno2薄膜的制备：将清洗干净的硅衬底放入磁控溅射真空室当中，在室温下，抽真空至真空度为0.0001pa时，通入0.48pa的氩气，使用140w的功率溅射sno2靶材，在衬底上沉积厚度为150nm的非晶态sno2薄膜，备用；

(2)高温烧结处理：将步骤(1)制备的非晶态sno2薄膜转移到箱式炉中，以每分钟20℃的升温速率加热至850℃，并保温30分钟，然后降温至室温，制备得到多孔sno2薄膜。

如图3所示，本实施例制备的多孔sno2薄膜的低倍sem图片。从图中可以看到，sno2薄膜在较大的范围内均出现了孔洞，且孔洞分布较为密集。图4是本实施例制备的多孔sno2薄膜的高倍sem图片，孔洞的直径主要为350nm左右。

实施例4

一种多孔氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)非晶态zro2薄膜的制备：将清洗干净的sio2衬底放入磁控溅射真空室中，在室温下，抽真空至真空度为0.0001pa时，通入0.28pa的氩气，使用110w的功率溅射zro2靶材，在衬底上沉积厚度为150nm的非晶态zro2薄膜，备用；

(2)高温烧结处理：将步骤(1)制备的非晶态zro2薄膜转移到箱式炉中，以每分钟50℃的升温速率加热至850℃，并保温45分钟，然后降温至室温，制备得到多孔zro2薄膜。

实施例5

一种多孔氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)非晶态tio2薄膜的制备：将清洗干净的硅衬底放入磁控溅射真空室当中，在室温下，抽真空至真空度为0.0001pa时，通入0.48pa的氩气，使用145w的功率溅射tio2靶材，在衬底上沉积厚度为200nm的非晶态tio2薄膜，备用；

(2)高温烧结处理：将步骤(1)制备的非晶态tio2薄膜转移到箱式炉中，以每分钟90℃的升温速率加热至900℃，并保温50分钟，然后降温至室温，制备得到多孔tio2薄膜。

对比例1

(1)非晶态zno薄膜的制备：将清洗干净的硅衬底放入磁控溅射真空室当中，在室温下，抽真空至真空度为0.0001pa时，通入0.6pa的氩气，使用100w的功率溅射zno靶材，在硅衬底上沉积厚度为100nm的非晶态zno薄膜，备用；

(2)高温烧结处理：将步骤(1)制备的非晶态zno薄膜转移到箱式炉中，以每分钟10℃的升温速率加热至600℃，并保温60分钟，然后降温至室温，制备得到多孔zno薄膜。

对比例1制备的多孔zno薄膜在硅衬底上易造成直径大于微米级的孔洞或者脱膜，这是由于在真空度为0.0001pa，通入0.6pa的氩气，溅射的功率为100w造成zno薄膜膜层应力过大造成的。

对比例2

一种多孔氧化物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)非晶态sno2薄膜的制备：将清洗干净的蓝宝石衬底放入磁控溅射真空室当中，在室温下，抽真空至真空度为0.0001pa以上时，通入0.55pa的氩气，使用150w的功率溅射sno2靶材，在蓝宝石衬底上沉积厚度为150nm的非晶态sno2薄膜，备用；

(2)高温烧结处理：将步骤(1)制备的非晶态sno2薄膜转移到箱式炉中，以每分钟100℃的升温速率加热至950℃，并保温10分钟，然后降温至室温，制备得到多孔sno2薄膜。

对比例2在步骤(2)中非晶态sno2薄膜经高温烧结处理制备得到的多孔sno2薄膜易造成直径大于微米级的孔洞或者碎裂，这是由于对比例2中的技术参数，如溅射功率，升温速度，加热至950℃，保温时间等不在本发明所述技术参数范围内所致。