CN105543972B - 高纯度高密度MoO2层片状纳米结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高纯度、高密度MoO2层片状纳米结构的制备方法，属于材料制备技术领域。本发明在真空加热炉中，采用三氧化钼（MoO3）和硫（S）粉作为蒸发源，在真空环境中通过热蒸发的方法，在载气作用下，在基片上可控合成和生长MoO2层片状纳米结构。该方法具有反应平和、纳米材料的合成与生长条件严格可控、设备和工艺简单、产品收率和纯度高、成本低廉、环保等优点。所获得的纳米结构产物密度高，纳米结构的厚度分布均匀，可望在电子器件、锂离子电池等方面获得广泛应用。

Description

高纯度高密度MoO2层片状纳米结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高纯度、高密度MoO2层片状纳米结构的制备方法，属于材料制备技术领域。
背景技术
纳米材料比起传统块体材料在性能上往往有着不可比拟的优势。随着纳米技术的发展，材料制备工艺也不断丰富起来。近年来，随着石墨烯的发现，人们的目光又投向了二维纳米材料。由于其特殊的微观结构和性质，二维纳米材料已经广泛应用于二极管、电子管，在催化剂、锂电池、电化学等方面也有着广泛的应用前景。
过渡金属氧化物MoO2属于单斜晶系，具有畸变的金红石晶体结构。在MoO2中,氧离子紧密堆积成八面体,Mo原子占据半个畸变的八面体空位，八面体行列间再共顶相连形成MoO2的三维网络状结构。八面体行列间具有隧道状空隙,该空隙可以嵌入Li离子，因此MoO2能被锂离子电池等领域。
此外，由于MoO2结构中的单斜结构的对称性相对比较低，而且MoO2每个八面体中的Mo原子偏离中心位置，使得MoO2具有金属导电性，所以其层片状纳米结构能够用于制作纳米电学器件，而当其用于Li离子电池中的电极材料时，对于提高电池性能也有重要的帮助。但是，目前MoO2层片状纳米结构的高质量合成仍然是一个难题。
一般来讲，纳米结构的制备方法可以分为化学法和物理法两大类。溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法制备MoO2材料都属于化学方法。相较于化学反应的复杂、难于控制以及需要后续的提纯除杂等工序，热蒸发等物理气相沉积具有成本低、制备过程简单、工艺参数可控性强和制备材料多为晶体等特点。而目前采用气相沉积方法制备MoO2纳米结构的方法一般是在气氛下氧化金属钼（粉），或者采用H2还原钼化合物（如MoO3粉）。前者反应剧烈、难于控制，后者使用易燃易爆的氢气，因此二者都具有一定危险性；且两种方法的产率均比较低。本发明首次利用热蒸发技术，以S粉和MoO3粉作为蒸发源，在基片上沉积得到了高纯度、高密度的MoO2层片状纳米结构。用这种方法制备得到的MoO2层片状纳米结构产量大、收率高，形貌规整，无需后处理，且该方法反应平和、进程易于控制，更安全、经济和环境友好。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高纯度、高密度二氧化钼（MoO2）层片状纳米结构的制备方法；该方法在真空加热炉中，采用三氧化钼（MoO3）和硫（S）粉作为蒸发源，在真空环境中通过热蒸发的方法，在载气作用下，在基片上控合成和生长MoO2层片状纳米结构。该方法具有反应平和、纳米材料的合成与生长条件严格可控、设备和工艺简单、产品收率和纯度高、成本低廉、环保等优点；且通过精确控制制备工艺中参数，所获得的MoO2层片状纳米结构，厚度在200 nm以内，直径在1-3 μm之间，产物密度高，纳米结构的厚度分布均匀，形状清晰完整，可望在电子器件、锂离子电池等方面获得广泛应用。
本发明提出的MoO2层片状纳米结构制备方法，其特征在于，所述方法在真空加热炉中、在载气带动下，通过热蒸发MoO3和S粉的方法，在基片上沉积得到MoO2层片状纳米结构。
本发明提出的层片状纳米结构制备方法，包括以下步骤和内容：
（1）在双温区真空管式炉中，将分别装有MoO3粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚、或者装有MoO3粉和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域，在其气流下游10-40cm处的低温加热区放置基片；
（2）在加热前，先用真空泵对整个系统抽真空至0.05Pa以下，然后向系统中通入高纯惰性载气，并重复多次，以排除系统中的残余氧气。然后将高温加热区以10-35 ℃/min速率升温到800-1000 ℃，将低温加热区以10-40 ℃/min速率升温到400-650 ℃，保温1-4小时。在加热过程中，在真空系统持续工作的前提下通入载气并保持载气流量为50-300标准立方厘米每分钟（sccm），且整个加热过程在惰性载气保护下完成，最后自然降温到室温，即可在基片上得到高纯度的MoO2层片状纳米结构。
在上述制备方法中，所述步骤（1）中的蒸发源为市售分析纯MoO3粉和S粉。
在上述制备方法中，所述步骤（1）中将分别装有分析纯MoO3粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域时，将装有MoO3粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在炉的中央温度最高的加热区域，在其气流上游或者下游距离装有MoO3粉的坩埚3-5 cm处温度较低的区域放置装有S粉的氧化铝陶瓷坩埚。
在上述制备方法中，所述步骤（1）中将装有MoO3粉和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域时，其中MoO3粉和S粉的质量比控制在1:1到1:12之间。
在上述制备方法中，所述步骤（1）中的基片为硅片、砷化镓单晶片、SiC单晶片、高金属掺杂硅片、金箔、银箔、铂箔之中的一种。
在上述制备方法中，所述步骤（1）中的蒸发源与基片之间的距离为10-40 cm。
在上述制备方法中，所述步骤（2）中高纯惰性载气为氩气、氮气之中的一种。
在上述制备方法中，所述步骤（2）中的惰性载气为高纯气体，纯度在99.99 vol.%以上。
在上述制备方法中，所述步骤（2）中的惰性载气流量为50-300标准立方厘米每分钟（sccm）。
在上述制备方法中，所述步骤（2）中的高温区用于蒸发MoO3粉和S粉的温度为800-1000 ℃，升温速率为10-35 ℃/min。
在上述制备方法中，所述步骤（2）中的低温区用于MoO2层片状纳米结构合成和生长的温度为400-650 ℃，升温速率为10-40 ℃/min。
在上述制备方法中，所述步骤（2）中的整个加热保温时间1-4小时。
采用本技术制备MoO2层片状纳米结构，具有设备和工艺简单、反应平和、材料的合成与生长条件严格可控、产品纯度和收率高、成本低廉、环境友好等特点，所获得的MoO2层片状纳米结构、形状均匀、整齐，直径厚度可控，密度高，纯度高。
附图说明
图1 是本发明实施例1所制得的二氧化钼层片状纳米结构的X-射线衍射花样；
图2 是本发明实施例1所制得的二氧化钼层片状纳米结构的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明提出一种高纯度、高密度MoO2层片状纳米结构的制备方法，其特征在于，所述方法在真空加热炉中、在载气带动下，通过热蒸发MoO3和S粉的方法，在基片上沉积得到MoO2层片状纳米结构。
本发明提出的MoO2层片状纳米结构的制备方法，包括以下步骤和内容：
（1）所采用蒸发源为市售分析纯的MoO3粉和S粉。
（2）在双温区真空管式炉中，将分别装有MoO3粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚、或者装有MoO3粉和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域，在其气流下游10-40cm处的低温加热区放置基片。
（3）将分别装有分析纯MoO3粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域时，将装有MoO3粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在炉的中央温度最高的加热区域，在其气流上游或者下游距离装有MoO3粉的坩埚3-5 cm处温度较低的区域放置装有S粉的氧化铝陶瓷坩埚。如果将装有MoO3粉和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域时，其中MoO3粉和S粉的质量比控制在1:1到1:12之间。
（4）所用的基片为硅片、砷化镓单晶片、SiC单晶片、高金属掺杂硅片、金箔、银箔、铂箔之中的一种。
（5）在加热前，先用真空泵对整个系统抽真空至0.05Pa以下，然后向系统中通入高纯惰性载气，并重复多次，以排除系统中的残余氧气。然后将高温加热区以10-35 ℃/min速率升温到800-1000 ℃，将低温加热区以10-40 ℃/min速率升温到400-650 ℃，保温1-4小时。
（6）在加热过程中，在真空系统持续工作的前提下通入载气并保持载气流量为50-300标准立方厘米每分钟（sccm），且整个加热过程在惰性载气保护下完成，最后自然降温到室温，即可在基片上得到高纯度的MoO2层片状纳米结构。
（7）所用的高纯惰性载气为氩气、氮气之中的一种，纯度在99.99 vol.%以上，流量为50-300标准立方厘米每分钟（sccm）。
本技术所得到的MoO2层片状纳米结构外观上为棕色薄膜。
在扫描电子显微镜下，能观察到大量的层片状纳米结构。X-射线衍射分析表明，这种纳米结构为MoO2晶体，无杂相。
总之，用本技术能得到高纯度、高密度的MoO2层片状纳米结构。
实施例1：在双温区真空管式炉中，将装有0.5 g分析纯三氧化钼粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在炉中的高温加热区，在其气流下游距离装有三氧化钼粉的坩埚3 cm处放置装有1 g分析纯硫粉的氧化铝陶瓷坩埚，在其气流下游距离装有氧化钼粉的坩埚15 cm处放置硅片。
在加热前，先用真空泵对整个系统抽真空至0.05Pa以下，然后向系统中通入99.99vol.%的氩气，并重复3次，以排除系统中的空气。然后将高温加热区以15 ℃/min速率升温到950 ℃，将低温加热区以20 ℃/min速率升温到450 ℃，保温2小时。在整个加热过程中，保持载气流量为150 sccm，最后自然降温到室温，即可在硅基片上得到高纯度、高密度的MoO2层片状纳米结构。
所得到的样品为结晶MoO2、无杂相（见图1），呈现出明显的层片状结构，厚度190nm（见图2），且所得层片状纳米结构产物的产量大，厚度较均匀。

Claims (2)

1.高纯度、高密度MoO2层片状纳米结构的制备方法，其特征在于，所述纳米结构为层片状MoO2晶体；所述方法通过热蒸发MoO3粉与硫粉，在基片上沉积得到MoO2层片状纳米结构，包括以下步骤和内容：
(1)在双温区真空管式炉中，将分别装有MoO3粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚、或者装有MoO3粉和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域，在其气流下游10-40cm处的低温加热区放置基片；
(2)在加热前，先用真空泵对整个系统抽真空至0.05Pa以下，然后向系统中通入高纯惰性载气，并重复多次，以排除系统中的残余氧气；然后将高温加热区以10-35℃/min速率升温到800-1000℃，将低温加热区以10-40℃/min速率升温到400-650℃，保温1-4小时；在加热过程中，在真空系统持续工作的前提下通入载气并保持载气流量为50-300标准立方厘米每分钟，且整个加热过程在惰性载气保护下完成，最后自然降温到室温，即可在基片上得到高纯度的MoO2层片状纳米结构。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中在双温区真空管式炉中，将分别装有分析纯MoO3粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域时，将装有MoO3粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在炉的中央温度最高的加热区域，在其气流上游或者下游距离装有MoO3粉的坩埚3-5cm处温度较低的区域放置装有S粉的氧化铝陶瓷坩埚；将装有MoO3粉和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在高温加热区炉中央区域时，其中MoO3粉和S粉的质量比控制在1:1到1:12之间；在其气流下游10-40cm处的低温加热区放置基片，所用的基片为硅片、砷化镓单晶片、SiC单晶片、高金属掺杂硅片、金箔、银箔、铂箔之中的一种；所述步骤(2)中高温加热区以10-35℃/min速率升温到800-1000℃，低温加热区以10-40℃/min速率升温到400-650℃，保温1-4小时；所用的高纯惰性载气为氩气、氮气之中的一种，纯度在99.99vol.％以上，流量为50-300标准立方厘米每分钟。
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