CN102212878B - 一种针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料的制备方法，该方法以三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)铋、去离子水及衬底为原料，基于脉冲方式依次进源、利用表面吸附化学反应制得针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料；该方法采用化学气相沉积系统或原子层沉积系统实现。本发明具有反应温度低，生长条件简单，重复性高，无杂质、可控性高等优点；所制得的Bi2O3纳米材料在传感器、催化剂等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米材料的制备方法，具体地说是一种针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料的制备方法。 
技术背景
纳米材料具有较好的光催化活性、光电转换特性和光吸收特性等优良的性能，从而引起物理、化学及材料科学家们的极大关注。Bi2O3主要用于化工行业、玻璃行业、电子行业以及其他行业。其中，电子行业是氧化铋应用最广的行业，主要用于电子陶瓷粉体材料、电解质材料、光电材料、高温超导材料、催化剂等。
近来，人们利用各种方法（激光灼烧，，高温氧化铋金属蒸气，高温化学气相沉积等）制备出了各种Bi2O3纳米结构，例如纳米线，纳米带，纳米棒等，并对这些纳米结构的物理、化学特性进行了研究，但现有的各种方法需要很高的蒸发温度（800℃以上），并因此带来高能耗的问题，导致生产成本高昂、难以与现有半导体工艺实现兼容；得到的产品也多为杂相材料，难以得到纯净的单一相的纳米材料。另外，纳米材料的可控生长一直是纳米材料研究领域的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料的制备方法，该方法将Bi2O3生长温度降至350℃，解决了现有Bi2O3纳米材料制备方法条件苛刻，能耗高的问题，并由此可实现与现有硅基半导体工艺兼容。
本发明的目的是这样实现的：
一种针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料的制备方法，该材料具有针状或蘑菇状Bi2O3生长在LaNiO3薄膜或ITO薄膜上的纳米结构；该材料的制备方法包括以下具体步骤：
a）、原料
原料包括：铋源即三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)铋、去离子水及衬底，氮气或氩气作为载气，载气纯度至少为99.999%；衬底为LaNiO3薄膜或 ITO（氧化铟锡）薄膜； 
b）、纳米材料制备
将衬底用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统或化学气相沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到1-3hpa；
对固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底进行加热，使其保持在350℃；对装有铋源的源瓶进行加热使其温度保持在170～190℃；装有去离子水的源瓶保持在室温；沉积系统内通入氮气或氩气，使反应腔内、中间空间气压分别保持在1-3hpa、6-15hpa；
将铋源及水源依次通过管道送进真空反应腔体，每次送入原料后通入惰性气体脉冲进行冲洗真空反应腔，对样品托盘上的衬底多重循环生长，每个生长循环包括以下四个脉冲：
ⅰ、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)铋脉冲3秒；
ⅱ、氮气或氩气冲洗腔体5秒；
ⅲ、水蒸气脉冲0.2秒；
ⅳ、氮气或氩气冲洗腔体5秒；
当循环次数在100～500时，得到样品即形貌为针状Bi2O3纳米材料；当循环次数在1000～2000时，得到样品即形貌为蘑菇状Bi2O3纳米材料。
上述反应是在密封的真空反应腔中进行的，可基于化学气相沉积系统、原子层沉积系统实现。
本发明基于脉冲方式依次进源、利用表面吸附化学反应制备得到针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料。
与现有技术相比，本发明的特点是：（1）形貌新颖，以前合成的Bi2O3纳米结构多为纳米线，纳米棒之类，而蘑菇状Bi2O3纳米材料的制备还是首次；（2）方法新颖，以往的一般方法要么是采用高温蒸发、灼烧，要么采用复杂的化学溶液配方；（3）相对于广泛采用的基于高温蒸发的纳米材料制备方法，反应温度的降低，大大节约能源；（4）不需要催化剂，不会给最终产品带来杂质；（5）可控性好，利用循环脉冲次数可精确控制材料的生长，可以大批量的制备。
附图说明
图1为本发明制得的Bi2O3纳米材料X射线衍射图；
图2为实施例1得到的针状Bi2O3纳米材料SEM图；
图3为实施例2得到的蘑菇状Bi2O3纳米材料SEM图；
图4为单根Bi2O3纳米针材料的HRTEM图；
图5为单根Bi2O3纳米针材料的SAED图。
具体实施方式
实施例1
将LaNiO3薄膜即衬底使用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到3hpa。
对固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底进行加热，使其保持在350℃；对装有铋源的源瓶进行加热使其温度保持在190℃；装有去离子水的源瓶保持在室温；沉积系统内通入氮气，纯度为99.999%，使反应腔内、中间空间气压分别保持在3hpa、15hpa。
氮气作为载气，将铋、水两种源采用脉冲方式依次通过管道送进真空反应腔体，具体地说，每个的生长循环包括以下四个脉冲：
a、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)铋脉冲3秒；
b、氮气冲洗腔体5秒；
c、水蒸气脉冲0.2秒；
d、氮气冲洗腔体5秒。
以上循环次数重复500次，得到样品即形貌为针状的Bi2O3纳米材料，如图2所示。
以上操作也可采用化学气相沉积系统实现。
实施例2
将LaNiO3即衬底使用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到1hpa。
对固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底进行加热，使其保持在350℃；对装有铋源的源瓶进行加热使其温度保持在180℃；装有去离子水的源瓶保持在室温；沉积系统内通入氮气或氩气，纯度为99.999%，使反应腔内、中间空间气压分别保持在3hpa、12hpa。
利用氮气作为载气，将铋、水两种源采用脉冲方式依次通过管道送进真空反应腔体，具体地说，每个的生长循环包括以下四个脉冲：
a、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)铋脉冲3秒；
b、氮气冲洗腔体5秒；
c、水蒸气脉冲0.2秒；
d、氮气冲洗腔体5秒；
以上循环次数重复1000次，得到样品即形貌为蘑菇状的Bi2O3纳米材料，如图3所示。
以上操作也可采用化学气相沉积系统实现。
实施例3
将ITO（氧化铟锡）薄膜即衬底使用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到2hpa。
对固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底进行加热，使其保持在350℃；对装有铋源的源瓶进行加热使其温度保持在170℃；装有去离子水的源瓶保持在室温；沉积系统内通入氩气，纯度为99.999%，使反应腔内、中间空间气压分别保持在2hpa、8hpa。
利用氩气作为载气，将铋、水两种源采用脉冲方式依次通过管道送进真空反应腔体，具体地说，每个的生长循环包括以下四个脉冲：
a、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)铋脉冲3秒；
b、氩气冲洗腔体5秒；
c、水蒸气脉冲0.2秒；
d、氩气冲洗腔体5秒。
以上循环次数重复1000次，得到样品即形貌为蘑菇状的Bi2O3纳米材料。
以上操作也可采用化学气相沉积系统实现。

Claims (1)

1.一种针状、蘑菇状Bi2O3纳米材料的制备方法，该材料具有针状或蘑菇状Bi2O3生长在LaNiO3薄膜或ITO薄膜上的纳米结构，其特征在于该材料的制备包括以下具体步骤：
a）、原料
原料包括：铋源即三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)铋、去离子水及衬底，氮气或氩气作为载气，载气纯度至少为99.999%；衬底为LaNiO3薄膜或ITO薄膜； 
b）、纳米材料制备
将衬底用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统或化学气相沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到1-3hpa；
对固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底进行加热，使其保持在350℃；对装有铋源的源瓶进行加热使其温度保持在170～190℃；装有去离子水的源瓶保持在室温；沉积系统内通入氮气或氩气，使反应腔内、中间空间气压分别保持在1-3hpa、6-15hpa；
将铋源及水源依次通过管道送进真空反应腔体，每次送入原料后通入惰性气体脉冲进行冲洗真空反应腔，对样品托盘上的衬底多重循环生长，每个生长循环包括以下四个脉冲：
ⅰ、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)铋脉冲3秒；
ⅱ、氮气或氩气冲洗腔体5秒；
ⅲ、水蒸气脉冲0.2秒；
ⅳ、氮气或氩气冲洗腔体5秒；
当循环次数为100～500时，得到样品即形貌为针状Bi2O3纳米材料；当循环次数为1000～2000时，得到样品即形貌为蘑菇状Bi2O3纳米材料。
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