層片狀納米結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高純度、高密度MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)的制備方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]納米材料比起傳統(tǒng)塊體材料在性能上往往有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，材料制備工藝也不斷豐富起來(lái)。近年來(lái)，隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn)，人們的目光又投向了二維納米材料。由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，二維納米材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于二極管、電子管，在催化劑、鋰電池、電化學(xué)等方面也有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]過(guò)渡金屬氧化物MoO2屬于單斜晶系，具有畸變的金紅石晶體結(jié)構(gòu)。在MoO2中，氧離子緊密堆積成八面體，Mo原子占據(jù)半個(gè)畸變的八面體空位，八面體行列間再共頂相連形成MoO2的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。八面體行列間具有隧道狀空隙，該空隙可以嵌入Li離子，因此MoO2能被鋰離子電池等領(lǐng)域。
[0004]此外，由于M0O2結(jié)構(gòu)中的單斜結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性相對(duì)比較低，而且Μ0Ο2每個(gè)八面體中的Mo原子偏離中心位置，使得MoO2具有金屬導(dǎo)電性，所以其層片狀納米結(jié)構(gòu)能夠用于制作納米電學(xué)器件，而當(dāng)其用于Li離子電池中的電極材料時(shí)，對(duì)于提高電池性能也有重要的幫助。但是，目前MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量合成仍然是一個(gè)難題。
[0005]—般來(lái)講，納米結(jié)構(gòu)的制備方法可以分為化學(xué)法和物理法兩大類(lèi)。溶膠-凝膠法、水熱法、共沉淀法制備MoO2材料都屬于化學(xué)方法。相較于化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜、難于控制以及需要后續(xù)的提純除雜等工序，熱蒸發(fā)等物理氣相沉積具有成本低、制備過(guò)程簡(jiǎn)單、工藝參數(shù)可控性強(qiáng)和制備材料多為晶體等特點(diǎn)。而目前采用氣相沉積方法制備MoO2納米結(jié)構(gòu)的方法一般是在氣氛下氧化金屬鉬(粉)，或者采用出還原鉬化合物(如MoO3粉)。前者反應(yīng)劇烈、難于控制，后者使用易燃易爆的氫氣，因此二者都具有一定危險(xiǎn)性;且兩種方法的產(chǎn)率均比較低。本發(fā)明首次利用熱蒸發(fā)技術(shù)，以S粉和MoO3粉作為蒸發(fā)源，在基片上沉積得到了高純度、高密度的MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)。用這種方法制備得到的MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)量大、收率高，形貌規(guī)整，無(wú)需后處理，且該方法反應(yīng)平和、進(jìn)程易于控制，更安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種高純度、高密度二氧化鉬(MoO2)層片狀納米結(jié)構(gòu)的制備方法;該方法在真空加熱爐中，采用三氧化鉬(MoO3)和硫(S)粉作為蒸發(fā)源，在真空環(huán)境中通過(guò)熱蒸發(fā)的方法，在載氣作用下，在基片上控合成和生長(zhǎng)MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)。該方法具有反應(yīng)平和、納米材料的合成與生長(zhǎng)條件嚴(yán)格可控、設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品收率和純度高、成本低廉、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)；且通過(guò)精確控制制備工藝中參數(shù)，所獲得的MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)，厚度在200 nm以?xún)?nèi)，直徑在1-3 μπι之間，產(chǎn)物密度高，納米結(jié)構(gòu)的厚度分布均勻，形狀清晰完整，可望在電子器件、鋰離子電池等方面獲得廣泛應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明提出的MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于，所述方法在真空加熱爐中、在載氣帶動(dòng)下，通過(guò)熱蒸發(fā)MoO3和S粉的方法，在基片上沉積得到MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明提出的層片狀納米結(jié)構(gòu)制備方法，包括以下步驟和內(nèi)容:
(1)在雙溫區(qū)真空管式爐中，將分別裝有MoO3粉和S粉的氧化鋁陶瓷坩禍、或者裝有MoO3粉和S混合粉的氧化鋁陶瓷坩禍放置在高溫加熱區(qū)爐中央?yún)^(qū)域，在其氣流下游10-40cm處的低溫加熱區(qū)放置基片；
(2)在加熱前，先用真空栗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)抽真空至0.05Pa以下，然后向系統(tǒng)中通入高純惰性載氣，并重復(fù)多次，以排除系統(tǒng)中的殘余氧氣。然后將高溫加熱區(qū)以10-35 °C/min速率升溫到800-1000 °C，將低溫加熱區(qū)以10-40 °C/min速率升溫到400-650 °C，保溫1_4小時(shí)。在加熱過(guò)程中，在真空系統(tǒng)持續(xù)工作的前提下通入載氣并保持載氣流量為50-300標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(sccm)，且整個(gè)加熱過(guò)程在惰性載氣保護(hù)下完成，最后自然降溫到室溫，即可在基片上得到高純度的MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)。
[0009]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的蒸發(fā)源為市售分析純MoO3粉和S粉。
[0010]在上述制備方法中，所述步驟(I)中將分別裝有分析純MoO3粉和S粉的氧化鋁陶瓷坩禍放置在高溫加熱區(qū)爐中央?yún)^(qū)域時(shí)，將裝有MoO3粉的氧化鋁陶瓷坩禍放置在爐的中央溫度最高的加熱區(qū)域，在其氣流上游或者下游距離裝有MoO3粉的坩禍3-5 cm處溫度較低的區(qū)域放置裝有S粉的氧化鋁陶瓷坩禍。
[0011]在上述制備方法中，所述步驟(I)中將裝有MoO3粉和S混合粉的氧化鋁陶瓷坩禍放置在高溫加熱區(qū)爐中央?yún)^(qū)域時(shí)，其中MoO3粉和S粉的質(zhì)量比控制在1:1到1:12之間。
[00?2]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的基片為娃片、神化嫁單晶片、SiC單晶片、尚金屬摻雜硅片、金箔、銀箔、鉑箔之中的一種。
[0013]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的蒸發(fā)源與基片之間的距離為10-40cm。
[0014]在上述制備方法中，所述步驟(2)中高純惰性載氣為氬氣、氮?dú)庵械囊环N。
[0015]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的惰性載氣為高純氣體，純度在99.99vol.%以上。
[0016]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的惰性載氣流量為50-300標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(sccm)ο
[0017]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的高溫區(qū)用于蒸發(fā)MoO3粉和S粉的溫度為800-1000 °C，升溫速率為10-35 °C/min。
[0018]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的低溫區(qū)用于MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)合成和生長(zhǎng)的溫度為400-650 °C，升溫速率為10-40 °C/min。
[0019]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的整個(gè)加熱保溫時(shí)間1-4小時(shí)。
[0020]采用本技術(shù)制備MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)，具有設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)平和、材料的合成與生長(zhǎng)條件嚴(yán)格可控、產(chǎn)品純度和收率高、成本低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，所獲得的MoO2層片狀納米結(jié)構(gòu)、形狀均勻、整齊，直徑厚度可控，密度高，純度高。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制得的二氧化鉬層片狀納米結(jié)構(gòu)的X-射線(xiàn)衍射花樣；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所制得的二氧化鉬層片狀納米結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023]本發(fā)明提出一