一種三氧化鉬納米棒的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)是一種正交晶系MoO3納米棒的制備方法。取向生長(zhǎng)的α-MoO3納米棒具有良好的場(chǎng)電子發(fā)射性能，較低的閾值電場(chǎng)，可廣泛應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器件、超級(jí)電容及電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置等。本發(fā)明專利技術(shù)采用兩步擴(kuò)散脈沖激光沉積技術(shù)，以α-MoO3為靶材，在硅襯底上沉積正交晶系MoO3納米棒，所沉積的MoO3納米棒具有密度高、直徑小。首先通過傳統(tǒng)的脈沖激光燒蝕在基片上沉積一層薄的MoO3籽晶層，然后將樣品反轉(zhuǎn)，用擴(kuò)散脈沖激光沉積方法在籽晶層上進(jìn)一步生長(zhǎng)均一的MoO3納米棒。本發(fā)明專利技術(shù)能夠在無催化劑的條件下制備高結(jié)晶度、低缺陷密度的單晶MoO3納米棒陣列，制備工藝簡(jiǎn)單、容易控制、重復(fù)性好、綠色環(huán)保。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及納米材料技術(shù)，特別是一種可應(yīng)用于高性能場(chǎng)發(fā)射器件、超級(jí)電容以及電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的正交晶系三氧化鑰(a -MoO3)納米棒的制備方法。
技術(shù)介紹
MoO3有正交晶系MoO3 ( α _Μο03)、單斜晶系MoO3 ( β -MoO3)以及六方晶系MoO3，其中α-ΜΟ03是熱力學(xué)穩(wěn)定相。正交相MoO3是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料(Eg=3.05eV)，是由畸變[MoO6]八面體在一個(gè)方向上共邊相連，在另一個(gè)方向上共頂點(diǎn)相連形成一個(gè)二維無限伸展的平面層，層與層之間通過弱的范德華力結(jié)合，其層狀晶格結(jié)構(gòu)和框架中存在四面體、八面體空穴和廣延的通道，可作為離子的嵌入位置和流通渠道。近年來，形貌各向異性的一維過渡金屬氧化物納米材料(如納米棒、納米線、納米帶及納米管)及其多尺度自組裝體系，以其獨(dú)特的光學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)等特性而備受關(guān)注。結(jié)構(gòu)各向異性的C1-MoO3—維納米結(jié)構(gòu)材料，如納米線、納米棒、納米帶和納米片，具有顯著的場(chǎng)發(fā)射性能、光致發(fā)光性能、光致變色性能、電致變色性能、可逆光色性能、氣敏性能，在場(chǎng)發(fā)射顯示器件、催化劑材料、電化學(xué)儲(chǔ)能器件、電化學(xué)顯色材料、電催化材料、記錄材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景并被廣泛研究。目前，大多采用水熱法、溶劑凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、熱蒸發(fā)法等制備三氧化鑰納米材料。中國(guó)專利(CN201110103848.3)采用鑰酸為前驅(qū)體，通過插層化學(xué)方法在其層間置入客體有機(jī)大分子使層狀結(jié)構(gòu)大顆粒被撐開或完全剝離為二維納米層結(jié)構(gòu)，制備了高結(jié)晶度、高分散性的三氧化鑰納米片。中國(guó)專利(CN201110110500.7)采用硝酸酸化七鑰酸銨得到鑰酸溶膠，加入模板劑十六烷基三甲基溴化銨，通過溶膠凝膠法制備了正交相單晶三氧化鑰納米帶。中國(guó)專利(CN200710157559.5)公開了一種無模板劑，不產(chǎn)生有毒的化學(xué)廢棄物，能快速有效地合成a -MoO3納米棒的`水熱合成方法，該方法以三氧化鑰和過氧化氫水溶液反應(yīng)制備的過氧化鑰酸為前驅(qū)體，在80_180°C范圍內(nèi)制備了分散的a -MoO3納米棒。文獻(xiàn)(Growth oforiented a -MoO3 nanorods by pulsed electron beam deposition,Applied Physics Letters99, 223104, 2011)采用脈沖電子束沉積方法在單晶娃襯底上制備了 取向的C1-MoO3納米棒陣列，該納米棒陣列具有良好的場(chǎng)發(fā)射性能，其開啟電場(chǎng)為 3.6V/μ m0文獻(xiàn)(Fast Synthesis of a -MoO3Nanorods with Controlled Aspect Ratiosand Their Enhanced Lithium Storage Capabilities, J.Phys.Chem.C114, 8675-8678,2010)采用水熱合成方法制備了徑向比可控、均一的a -MoO3納米棒，通過快速水熱法合成的均質(zhì)a -MoO3納米棒擁有更高的初始放電容量、更低的不可逆損耗，以及在不同的充放電率下更好的比率特性。但是現(xiàn)有技術(shù)中不存在采用脈沖激光沉積方法制備α-Μο03納米棒陣列的技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種可控的正交晶系MoO3納米棒的制備方法，無需使用催化劑和模板，利用脈沖激光沉積系統(tǒng)可有效地制備出低缺陷密度的單晶MoO3納米棒陣列。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)解決方案為:一種可控的正交晶系MoO3納米棒的制備方法，采用兩步擴(kuò)散脈沖激光沉積技術(shù)(diffusive pulsed laser deposition, DPLD),以a -MoO3為靶材，借助脈沖激光器，改變沉積參數(shù)，未添加模板和催化劑，在襯底上沉積a -MoO3納米棒陣列，具體包括以下步驟:步驟1、對(duì)單晶硅襯底進(jìn)行表面清洗處理；具體為:首先將襯底浸入丙酮和乙醇的混溶液中超聲波清洗，然后放入去離子水中超聲清洗，之后冷風(fēng)吹干。步驟2、將表面清洗干凈的襯底固定在真空生長(zhǎng)腔內(nèi)的襯底支架上，安裝C1-MoO3靶材,并使襯底正面與靶材保持正對(duì)；靶材與襯底距離為40-80mm。步驟3、使用機(jī)械泵和分子泵對(duì)真空生長(zhǎng)腔抽真空，真空生長(zhǎng)腔抽真空后的本底真空度小于或等于I X IO^6Torr ；步驟4、利用鹵鎢燈作為有效無污染的襯底加熱器，將襯底溫度加熱到預(yù)定的溫度；之后向真空室內(nèi)通入工作氣體，并保持氣壓穩(wěn)定；所述預(yù)定的溫度為300-500°C ;向真空室內(nèi)通入的工作氣體為氧氣，通入氧氣體后真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為5-100mTorr。步驟5、使用準(zhǔn)分子脈沖激光源，通過激光燒蝕MoO3靶材，襯底正面正對(duì)等離子體羽，控制激光的能量密度、脈沖頻率、工作氣壓、襯底溫度和沉積時(shí)間這些工藝參數(shù)，在正對(duì)靶材的襯底上預(yù)先沉積MoO3籽晶層；所述激光能量密度為0.9-4.5J/cm2、脈沖頻率在2-lOHz、工作壓強(qiáng)在5-100mTorr、襯底溫度在300_500°C、沉積時(shí)間在5_15min。步驟6、MoO3籽晶層生長(zhǎng)一段時(shí)間后，翻轉(zhuǎn)襯底，使襯底正面背對(duì)靶材和等離子羽輝的傳播方向，進(jìn)一步調(diào)整沉積工藝參數(shù)，通過擴(kuò)散脈沖激光沉積方法在MoO3籽晶層上繼續(xù)生長(zhǎng)，制備均一的a -MoO3納米棒；用擴(kuò)`散脈沖激光沉積法在籽晶層上繼續(xù)生長(zhǎng)MoO3,生長(zhǎng)過程中氧氣壓強(qiáng)為IO-1OOmTorr,襯底溫度為350_600°C，激光能量密度為0.9-5.0J/cm2,脈沖頻率為2-lOHz，沉積時(shí)間為20-90min。步驟7、沉積結(jié)束后，關(guān)閉激光、襯底加熱，停止通氣體，待樣品冷卻到室溫后取出。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:1)在同一個(gè)脈沖激光沉積系統(tǒng)中先后實(shí)現(xiàn)籽晶層的生長(zhǎng)以及接下來在籽晶層上均勻的a -MoO3納米棒陣列的繼續(xù)生長(zhǎng)，制備工藝簡(jiǎn)單、容易控制、重復(fù)性好、綠色環(huán)保；2)在無催化劑和模板的條件下，通過調(diào)節(jié)兩步擴(kuò)散脈沖激光沉積過程的工藝參數(shù)，能夠高效生長(zhǎng)整齊、低缺陷密度的單晶a -MoO3納米棒，且納米棒的尺寸和密度可控，直徑可達(dá)約20nm ；3)該方法制備的a -MoO3納米棒可應(yīng)用于高性能場(chǎng)發(fā)射顯示器件、超級(jí)電容器以及電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置等。下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。附圖說明圖1為本專利技術(shù)實(shí)例I制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的SEM圖。圖2為本專利技術(shù)實(shí)例I制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的TEM圖。圖3為本專利技術(shù)實(shí)例I制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的XRD圖。圖4為本專利技術(shù)實(shí)例2制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的TEM圖。圖5為本專利技術(shù)實(shí)例2制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的XRD圖。圖6為本專利技術(shù)實(shí)例3制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的TEM圖。圖7為本專利技術(shù)實(shí)例3制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的XRD圖。圖8為本專利技術(shù)實(shí)例4制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的TEM圖。圖9為本專利技術(shù)實(shí)例4制備的產(chǎn)物a -MoO3納米棒的XRD圖。具體實(shí)施例方式本專利技術(shù)以a -MoO3為靶材，未添加模板和催化劑，采用兩步擴(kuò)散脈沖激光沉積技術(shù)在單晶硅或藍(lán)寶石襯底上沉積a-MoO3納米棒。首先使用傳統(tǒng)的脈沖激光燒蝕α-ΜΟ03靶材，在襯底上沉積一層薄的籽晶層；然后將樣品翻轉(zhuǎn)，使其正面背對(duì)靶材和等離子羽輝的傳播方向，通過擴(kuò)散脈沖激光沉積法在籽晶層上進(jìn)一步生長(zhǎng)a -MoO3納米棒，所沉積的a -本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種三氧化鉬納米棒的制備方法，其特征在于，采用兩步擴(kuò)散脈沖激光沉積技術(shù)，以α?MoO3為靶材，借助脈沖激光器，改變沉積參數(shù)，未添加模板和催化劑，在襯底上沉積α?MoO3納米棒陣列，具體包括以下步驟：步驟1、對(duì)單晶硅襯底進(jìn)行表面清洗處理；步驟2、將表面清洗干凈的襯底固定在真空生長(zhǎng)腔內(nèi)的襯底支架上，安裝α?MoO3靶材，并使襯底正面與靶材保持正對(duì)；步驟3、使用機(jī)械泵和分子泵對(duì)真空生長(zhǎng)腔抽真空，真空生長(zhǎng)腔抽真空后的本底真空度小于或等于1×10?6Torr；步驟4、利用鹵鎢燈作為有效無污染的襯底加熱器，將襯底溫度加熱到預(yù)定的溫度；之后向真空室內(nèi)通入工作氣體，并保持氣壓穩(wěn)定；步驟5、使用準(zhǔn)分子脈沖激光源，通過激光燒蝕MoO3靶材，襯底正面正對(duì)等離子體羽，控制激光的能量密度、脈沖頻率、工作氣壓、襯底溫度和沉積時(shí)間這些工藝參數(shù)，在正對(duì)靶材的襯底上預(yù)先沉積MoO3籽晶層；步驟6、MoO3籽晶層生長(zhǎng)一段時(shí)間后，翻轉(zhuǎn)襯底，使襯底正面背對(duì)靶材和等離子羽輝的傳播方向，進(jìn)一步調(diào)整沉積工藝參數(shù)，通過擴(kuò)散脈沖激光沉積方法在MoO3籽晶層上繼續(xù)生長(zhǎng)，制備均一的α?MoO3納米棒；步驟7、沉積結(jié)束后，關(guān)閉激光、襯底加熱，停止通氣體，待樣品冷卻到室溫后取出。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種三氧化鑰納米棒的制備方法，其特征在于，采用兩步擴(kuò)散脈沖激光沉積技術(shù)，以a -MoO3為靶材，借助脈沖激光器，改變沉積參數(shù)，未添加模板和催化劑，在襯底上沉積a -MoO3納米棒陣列，具體包括以下步驟: 步驟1、對(duì)單晶硅襯底進(jìn)行表面清洗處理； 步驟2、將表面清洗干凈的襯底固定在真空生長(zhǎng)腔內(nèi)的襯底支架上，安裝a -MoO3靶材，并使襯底正面與靶材保持正對(duì)； 步驟3、使用機(jī)械泵和分子泵對(duì)真空生長(zhǎng)腔抽真空，真空生長(zhǎng)腔抽真空后的本底真空度小于或等于I X ICT6Torr ； 步驟4、利用鹵鎢燈作為有效無污染的襯底加熱器，將襯底溫度加熱到預(yù)定的溫度；之后向真空室內(nèi)通入工作氣體，并保持氣壓穩(wěn)定； 步驟5、使用準(zhǔn)分子脈沖激光源，通過激光燒蝕MoO3靶材，襯底正面正對(duì)等離子體羽，控制激光的能量密度、脈沖頻率、工作氣壓、襯底溫度和沉積時(shí)間這些工藝參數(shù)，在正對(duì)靶材的襯底上預(yù)先沉積MoO3籽晶層； 步驟6、MoO3籽晶層生長(zhǎng)一段時(shí)間后，翻轉(zhuǎn)襯底，使襯底正面背對(duì)靶材和等離子羽輝的傳播方向，進(jìn)一步調(diào)整沉積工藝參數(shù)，通過擴(kuò)散脈沖激光沉積方法在MoO3籽晶層上繼續(xù)生長(zhǎng)，制備均一的a -MoO3納米棒； 步驟7、沉積結(jié)束后，關(guān)閉...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄒友生，張亦弛，汪海鵬，樓東，董宇輝，竇康，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南京理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：