共沉淀法制備摻銻氧化錫超薄膜

共沉淀法制備摻銻氧化錫超薄膜

1全膜法薄膜材料三氧化錫混合納米（ato）集中了ato材料和納米的優(yōu)點，具有特定的電致性。這是一種新型、多功能、透明的電材料。銻摻雜SnO2薄膜是一種極具應用價值和潛力的薄膜材料,由于同時具有良好的光透過性和導電特性,故它在建筑玻璃、液晶顯示器、透明電極以及太陽能利用等領域得到了廣泛的應用。LB膜技術是一種在納米尺度上對分子進行有序組裝的行之有效的方法。利用LB技術制備出的ATO超薄膜將同時具有單分子膜及ATO粉體的優(yōu)點,對于納米尺度電子器件的制備,有極大的應用價值。本研究制得了均勻性和覆蓋度較高的ATO超薄膜,并進行了組成、結構和形貌的表征。2實驗2.1ato溶膠的制備將SnCl4·5H2O和SbCl3按一定的配比(本實驗中Sb2O3:SnO2=3:50)溶解于2mol/L的鹽酸,過濾除去雜質,制得酸式混合原料。將25gNaOH溶于250ml去離子水中,移入500ml三口燒瓶中,于恒溫水浴槽中60℃下恒溫。向恒溫的溶液中緩慢滴加酸式混合原料,至終點pH值為2。反應15min,真空抽濾并用去離子水和無水乙醇分別洗滌,濾餅在室溫下干燥。稱取0.06g的沉淀于燒杯中,逐滴滴加2mol/L的HCl100ml,在60℃下恒溫20min,并自然冷卻2h后可得黃色透明的ATO溶膠。具體工藝流程如圖1所示。2.2基片y型復合膜量取定量的ATO溶膠前驅體溶于超純水中制得一定濃度的溶膠稀溶液作為亞相,滴加鋪展液(0.28mg/ml的硬脂酸/氯仿溶液),調整溫度為25.0℃,亞相pH值為3.0,轉移膜壓為32mN/m,滑障速度為6mm/min,提拉速度為5mm/min,在此條件下在處理過的基片上拉制不同層數(shù)的Y型復合膜(10mm×30mm)?；奶幚矸椒?單晶硅片在piranha(70ml濃硫酸與30ml雙氧水混合)中煮沸30min,用于XRD分析;石英基片分別在氯仿、丙酮、乙醇中超聲10min,處理為親水表面,用于紫外-可見光吸收光譜及原子力顯微鏡檢測。2.3馬福爐上的ato超薄膜將制備出的ATO/硬脂酸復合LB膜置于馬福爐中,以10℃/min的升溫速率至650℃時保溫2h,斷電自然冷卻至室溫,得ATO超薄膜。2.4紫外-可見光譜和afm測試本實驗所用的制膜裝置是芬蘭產(chǎn)的KSV-Minitrough型LB膜槽系統(tǒng);數(shù)據(jù)超級低溫恒溫裝置為寧波天恒儀器廠產(chǎn)SDC-6型恒溫槽;超純水系統(tǒng)為北京愛思泰克科技開發(fā)有限責任公司產(chǎn)CSR-1-10型超純水制備系統(tǒng)。實驗中紫外-可見光譜在北京普析通用儀器公司生產(chǎn)的TU-1901的紫外-可見分光光度計上測試(掃描范圍:190～900nm,采樣間隔:1nm;光譜帶寬2nm;掃描速度:中速;掃描次數(shù):1次;吸光模式:Abs);AFM測試選用DigitalInstrument公司的NanoscopeⅢa型掃描探針顯微鏡,掃描速率為1.969Hz;XRD測試采用日本島津6000型X射線衍射儀,測試條件:Cu陽極,石墨單色器,電壓:40kV,電流:50mA,DA:10,SS:10,RS:0.15mm。3結果與討論3.1亞相濃度的影響圖2為不同亞相濃度下的π-A曲線。由圖可以看出,當在超純水中加入溶膠時,單分子的面積增加,亞相的濃度越大,單分子的面積也越大,原因是ATO超微粒已經(jīng)與硬脂酸相連,成為了復合單分子,復合單分子的截面積比硬脂酸的截面積要大。亞相濃度越大,與硬脂酸相連的超微粒越多,截面積越大。同時從數(shù)據(jù)中可以看出,濃度較小的崩潰壓比亞相為超純水的崩潰壓小,而濃度較大的則比其大,這也說明了溶膠溶液對硬脂酸的單分子行為影響較大。考慮到雖然濃度大時崩潰壓大,單分子膜的強度大,但濃度過大時,亞相中的超微粒易團聚,所以選擇亞相濃度為0.12～0.14μmol/ml。同時從亞相濃度增加,單分子面積增加可看出,可實現(xiàn)復合膜的轉移。3.2晶面等衍射峰圖3為650℃燒結后粉體的X射線衍射(XRD)圖。與標準譜圖對比可見,在此溫度制備的粉體為四方相金紅石結構的SnO2,XRD圖譜上(110),(101),(200),(211)和(220)晶面等衍射峰為此結構SnO2的標準衍射峰。樣品的XRD圖譜上除了主要為四方晶系金紅石結構的SnO2的衍射峰(89%)外,還有部分SnO的衍射峰(8%),這是燒結時間不夠,未氧化完全之故,同時有極其微量的Sb(1%),這說明在實驗所用的摻雜濃度(6%)范圍內沒有帶來新的物相結構,而只是使樣品衍射峰的位置發(fā)生了不同程度的遷移。根據(jù)XRD測試結果,由Scherrer公式算得粉體的粒徑為6～10nm。3.3沉積層數(shù)對復合膜縱向均勻性的影響圖4為沉積在石英基片上的ATO超微粒/硬脂酸復合LB膜的紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜。從圖中可以看出,5,9,13層復合膜在193nm處都有吸收峰,且隨著層數(shù)增加吸收峰的強度增加,3條不同層數(shù)的吸收線位置近乎平行,說明層與層之間沒有產(chǎn)生分子聚集,LB膜有較好的縱向均勻性。圖6為不同沉積層數(shù)與吸光度的關系。由圖可見隨著層數(shù)的增加,吸光度線性增加,根據(jù)布格-朗伯定律,吸光度與物質的厚度成正比,說明成膜均勻,且有很好的重復性。3.4ato薄膜的afm分析圖6為復合膜的立體和平面的AFM圖像。膜的平均高度為52.105nm,平均粗糙度RMS(測量范圍為:5μm×5μm,在基片上不同位置測5次,取平均值)為3.255nm。膜表面總體較均勻,覆蓋度較高。圖中部分不均勻的“島嶼”結構是由于LB膜中分子的有序結構是非常局限的,排除由于針尖的突變或成像中外部因素的干擾而無法觀察到分子的有序結構外,對大范圍的成像,多出現(xiàn)一些分子級的結構缺陷,如分子排列中出現(xiàn)位錯等晶格缺陷。基片表面的缺陷也會導致膜表面會出現(xiàn)缺陷。圖7為燒結后的ATO薄膜的AFM圖。從圖中可以看出,燒結后的膜中ATO粒子為球形,覆蓋度很高,表面也很均勻,無聚集等現(xiàn)象。表明除去有機成分后,無機成分仍能均勻的覆蓋于基片表面。這是因為制備復合膜時,ATO的羥基與硬脂酸的氫離子靠靜電引力結合,結合力較強,使吸附的ATO均勻地轉移至基片上。燒結后膜的平均高度為76.884nm,平均粗糙度RMS為3.016nm。燒結后膜的平均高度升高,可解釋為燒結后ATO粒子晶化后為球頂圓柱體,不同于燒結前的無規(guī)則結構,所以薄膜高度增加,粗糙度得以改善。4溶膠對ato超純表面的作用以SnCl4·5H2O和SbCl3為原料,采用共沉淀法制得的ATO沉淀,用膠溶法于60℃下可制得均勻、穩(wěn)定的淡黃色透明ATO溶膠,溶膠穩(wěn)定性高,可長期存放。當在超純水中加入溶膠時,亞相的濃度越大,單分子的面積也越大,ATO超微粒與硬脂酸相連,形成復合單分子。XRD表明650℃下制備出的ATO粒子為四