CN111893428B - 一种氧化银薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料制备技术领域，具体为一种氧化银薄膜的制备方法，包括如下步骤：A、准备实验箱，实验箱内安装有等离子发生器，将带有银膜的基片固定在实验箱内；B、对基片进行加热；C、向实验箱内冲入氧气或氧气与惰性气体的混合气体,给等离子发生器通电，产生氧等离子体；D、使带有银膜的基片浸润到等离子体中，银膜在氧等离子体的作用下形成薄膜。本发明制备出来的氧化银薄膜具有不同的纳米结构，能够解决普通致密薄膜应用时比表面积低、反应位点少的问题。

Description

一种氧化银薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料制备技术领域，具体为一种氧化银薄膜的制备方法。

背景技术

氧化银薄膜，其表面效应、广谱强抑菌性、光催化活性、强氧化性、强吸光性等特性，使其在医疗、化工、储能、传感等领域应用广泛。

现有技术中，氧化银薄膜多通过物理气相沉积和化学气象沉积方法制备，采用现有技术制备的氧化银薄膜比较致密，并无纳米结构，影响其在实际应用中的物理、化学性质。例如在作为光催化薄膜运用时，这种致密结构的氧化银薄膜对光子的吸收能力差、与反应物接触面积小，影响光催化薄膜的降解效率。

发明内容

本发明意在提供一种氧化银薄膜的制备方法，以解决现有的制备方法难以制备出具有纳米多孔结构的氧化银薄膜的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氧化银薄膜的制备方法，包括如下步骤：

A、准备实验箱，实验箱内安装有等离子发生器，将带有银膜的基片固定在实验箱内；

B、对基片进行加热；

C、向实验箱内冲入氧气或氧气与惰性气体的混合气体,给等离子发生器通电，产生氧等离子体；

D、使带有银膜的基片浸润到等离子体中，银膜在氧等离子体的作用下形成薄膜。

本方案的原理和有益效果为：

基片作为银膜的载体，将基片置于实验箱内，能够给银膜提供一个相对密封的氧化环境，从而便于控制氧等离子体的量以及基片的加热温度。本方案使处于一定温度的带有银膜的基片，在氧等离子体的作用下直接氧化形成氧化银薄膜，相比现有技术通过物理气相沉积或化学气相沉积在基片上沉积氧化银薄膜的方法而言，不仅降低了设备的成本，且制备的氧化银薄膜具有不同纳米结构，能够提高其物理和化学性质，在实际运用时更受欢迎。

进一步，薄膜具有纳米多孔结构，或表面分布纳米块状结构，或表面分布纳米片状结构。

有益效果：不管是具有纳米多孔结构还是表面分布块状和片状结构，相比现有技术中致密结构的薄膜而言，本方案制备的薄膜在实际运用时反应面积均得到了有效的增大，提高了其应用时的反应速度，薄膜的性质更优。

进一步，薄膜为Ag₂O薄膜或AgO薄膜。

有益效果：本发明的方法不仅能够制备出Ag₂O薄膜，还能够制备出AgO薄膜，适用范围广。

进一步，基片的厚度为300nm，氧化时间为30min。

有益效果：如此设置能够更好的氧化银膜。

进一步，在实验箱气压为0.3Pa，氧等离子体中氧原子密度为3.3×10¹²cm^-3，基片温度为40和80℃时，银膜氧化成表面均匀分布纳米块状结构的AgO薄膜。

有益效果：在此条件下，能够得到表面均匀分布纳米块状结构的AgO薄膜。

进一步，在实验箱气压为0.3Pa，氧等离子体中氧原子密度为3.3×10¹²cm^-3，基片温度为150℃时，银膜氧化成具有纳米多孔结构的Ag₂O薄膜。

有益效果：在此条件下，能够得到具有纳米多孔结构的Ag₂O薄膜。

进一步，在基片温度为40℃，氧等离子体中氧原子密度为1.0×10¹³cm^-3～3.0×10¹⁴cm^-3，实验箱内气压为1Pa和10Pa时，银膜被氧化成表面分布纳米片状结构的AgO薄膜。

有益效果：在此条件下，能够得到表面均匀分布纳米片状结构的AgO薄膜。

进一步，实验箱的气压为1Pa时，所述纳米片状结构的平均高度为240nm；实验箱的气压为10Pa时，所述纳米片状结构的平均高度为430nm。

有益效果：240nm和430nm的纳米片状结构均能够体现出较快的反应速度。

进一步，在基片温度为40℃，氧等离子体中氧原子密度为1.0×10¹³cm^-3～3.0×10¹⁴cm^-3，实验箱内气压为20Pa和50Pa时，银膜被氧化成具有纳米多孔结构的AgO薄膜。

有益效果：在此条件下，能够得到具有纳米多孔结构的AgO薄膜。

进一步，实验箱内设置有用于固定基片的样品托盘，样品托盘转动连接在实验箱顶部，样品托盘设置有加热器，所述等离子发生器位于样品托盘下方。

有益效果：样品托盘用于放置和固定基片，等离子发生器用于产生氧等离子体，加热器用于给基片加热；样品托盘转动连接在实验箱内，实际运用时能够同时固定多个基片，通过转动样品托盘选择基片对准氧等离子体来进行氧化，即可实现一次实验对多个基片进行处理，操作方便，无需反复取放基片，提高了实验效率，还能够避免反复取放基片导致实验箱气压和温度流失的情况。

附图说明

图1为本发明实施例1中薄膜的平面电子显微镜图片；

图2为本发明实施例1中薄膜的截面电子显微镜图片；

图3为本发明实施例2中薄膜的平面电子显微镜图片；

图4为本发明实施例2中薄膜的截面电子显微镜图片；

图5为本发明实施例3中薄膜的平面电子显微镜图片；

图6为本发明实施例3中薄膜的截面电子显微镜图片；

图7为本发明实施例1至3中薄膜的XRD图；

图8为本发明实施例4中薄膜的截面电子显微镜图片；

图9为本发明实施例5中薄膜的截面电子显微镜图片；

图10为本发明实施例6中薄膜的截面电子显微镜图片；

图11为本发明实施例7中薄膜的截面电子显微镜图片；

图12为本发明实施例4至7中薄膜的XRD图；

图13为本发明实施例1中使用的实验箱的纵向剖视图；

图14为本发明实施例8中使用的实验箱的纵向剖视图；

图15为图14中样品托盘的仰视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：转轴1、样品托盘2、基片3、隔离罩4、开口5、等离子发生器6、弹簧7、实验箱8、活塞9、顶杆10、门把手11、滑动门12、放置槽13、气囊14、伸缩杆15。

实施例1

一种氧化银薄膜的制备方法，采用如图13所示的实验箱8进行实验，实验箱8内安装有样品托盘2，样品托盘2用于固定带有银膜的基片3，样品托盘2可同时固定多个基片3，样品托盘2上螺栓固定有多个用于固定基片3的固定夹(图中未示出)。实验箱8顶部竖直转动连接(可通过轴承连接)有转轴1，转轴1的顶端伸出实验箱8外，样品托盘2螺纹连接在转轴1底端。

样品托盘2内安装有加热器，加热器采用现有技术中的加热器。样品托盘2下方安装有用于充入氧等离子体的充气机构。充气机构包括等离子发生器6(采用现有的等离子发生器)，等离子发生器6连通有氧气输入设备(如氧气泵、氧气机等)；实验箱8底部还连通有抽气泵(图中未示出)，实验箱8上侧壁上开有用于取放样品托盘2的开口5，开口5处安装有密封门(图中未示出)。

具体的制备方法包括如下步骤：

A、准备好实验箱8，利用固定夹将带有银膜的基片3固定在样品托盘2底部，本实施例中基片3的数量为三个，每个基片3上的银膜厚度均为300nm；基片3以样品托盘2的圆心为阵列中心环形阵列固定；基片3固定完成后，打开密封门将样品托盘2螺纹连接在转轴1上，然后关闭密封门；

转动转轴1，使样品托盘2未固定基片3的位置位于等离子发生器6正上方，启动抽气泵将实验箱8内多余的气体抽出，使实验箱内8的背底真空达到约1×10³Pa；

B、启动加热器给基片3加热，使基片温度保持在40℃；

C、启动氧气输入设备向实验箱8中输入氧气，通过调整气体流量使实验箱8内的气压稳定在0.3Pa，并向等离子发生器6(功率50W,电源频率25kHz)施加电压，产生氧等离子体，等离子体中氧原子密度为3.3×10¹²cm^-3(利用现有技术中的光量测定法计算出氧等离子体氧原子密度)；

D、旋转转动轴1，将第一个基片3转动到等离子发生器6正上方，开始对银膜进行氧化，氧化时间为30min。

如图1和图2所示，基片3在氧等离子体环境下氧化形成表面均匀分布纳米块状结构的AgO薄膜，银膜的XRD图如图7所示。

实施例2

在实施例1完成的基础上，调整加热器的温度，使基片温度保持在80℃，然后人工转动转轴1将第二个基片3转动至等离子发生器6正上方，开始对银膜进行氧化，氧化时间为30min。

如图3和图4所示，基片3在氧等离子体环境下氧化形成表面均匀分布纳米块状结构的AgO薄膜，银膜的XRD图如图7所示。

实施例3

在实施例2完成的基础上，调整加热器的温度，使基片温度保持在150℃，然后人工转动转轴1将第三个基片3转动至等离子发生器6正上方，开始对银膜进行氧化，氧化时间为30min。

如图5和图6所示，基片3在氧等离子体环境下氧化形成具有纳米多孔结构Ag2O薄膜，银膜的XRD图如图7所示。

实施例4

A、准备好实验箱8，利用固定夹将带有银膜的基片3固定在样品托盘2底部，本实施例中基片3的数量为四个，每个基片3上的银膜厚度均为300nm；基片3以样品托盘2的圆心为阵列中心环形阵列固定；基片3固定完成后，打开密封门将样品托盘2螺纹连接在转轴1上，然后关闭密封门；

转动转轴1，使样品托盘2未固定基片3的位置位于等离子发生器6正上方，启动抽气泵将实验箱8内多余的气体抽出，使实验箱内8的背底真空达到约1×10³Pa；

B、启动加热器给基片3加热，使基片温度保持在40℃；

C、启动氧气输入设备向实验箱8中输入氧气，通过调整气体流量使实验箱8内的气压稳定在1Pa，并向等离子发生器6(功率50W,电源频率25kHz)施加电压，产生氧等离子体，等离子体中氧原子密度为1.0×10¹³cm^-3(利用现有技术中的光量测定法计算出氧等离子体氧原子密度)；

D、旋转转动轴1，将第一个基片3转动至等离子发生器6上方；开始对银膜进行氧化，氧化时间为30min。

如图8所示，基片3在氧等离子体环境下氧化形成表面均匀分布纳米片状结构的AgO薄膜，纳米片状结构平均高度为240nm，银膜的XRD图如图12所示。

实施例5

在实施例4完成的基础上，通过调整气体流量使实验箱8内的气压稳定在10Pa，然后人工转动转轴1将第二个基片3转动至等离子发生器6正上方，开始对银膜进行氧化，氧化时间为30min。

如图9所示，基片3在氧等离子体环境下氧化形成表面均匀分布纳米片状结构的AgO薄膜，纳米片状结构平均高度为430nm，银膜的XRD图如图12所示。

实施例6

在实施例5完成的基础上，通过调整气体流量使实验箱8内的气压稳定在20Pa，然后人工转动转轴1将第三个基片3转动至等离子发生器6正上方，开始对银膜进行氧化，氧化时间为30min。

如图10所示，基片3在氧等离子体环境下氧化形成具有纳米多孔结构AgO薄膜，银膜的XRD图如图12所示。

实施例7

在实施例6完成的基础上，通过调整气体流量使实验箱8内的气压稳定在50Pa，然后人工转动转轴1将第四个基片3转动至等离子发生器6正上方，开始对银膜进行氧化，氧化时间为30min。

如图11所示，基片3在氧等离子体环境下氧化形成具有纳米多孔结构AgO薄膜，银膜的XRD图如图12所示。

实施例1-实施例7的数据如下表所示：

综上所述，处于一定温度的银膜在氧等离子体的作用下能够氧化形成AgO薄膜或Ag2O薄膜。

其中，在工作气压为0.3Pa，功率50W,电源频率25kHz，氧化时间为30min，等离子体中氧原子密度为3.3×10¹²cm^-3的条件下，基片3的温度为40和80℃时，银膜氧化后表面均匀分布纳米块状结构的AgO薄膜，基片3的温度为150℃时，银膜被氧化成纳米多孔结构Ag₂O薄膜。

在基片3的温度为40℃，功率50W,电源频率25kHz，氧化时间为30min，等离子体中氧原子密度为1.0×10¹³cm^-3的条件下，工作气压为1Pa和10Pa时，银膜氧化后表面分布纳米片状结构，1Pa时，纳米片状结构平均高度为240nm，10Pa时为430nm。工作气压为20Pa和50Pa时，银膜氧化成具有纳米多孔结构AgO薄膜。

实施例8

如图14所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，转轴1内部中空，转轴1底端内壁上刻有一段螺纹，样品托盘2圆心处竖直一体成型有连接柱，连接柱顶部竖直一体成型有顶杆10。实际运用时，样品托盘2伸入转轴1内与转轴1螺纹连接。

转轴1内未刻有螺纹的部分滑动连接有活塞9，活塞9与转轴1顶部之间连接有弹簧7。结合图15可知，样品托盘2底部开设有多个用于放置基片3的放置槽13，本实施例中放置槽13的数量为三个，三个放置槽13内壁上均胶接有环形的气囊14，气囊14与转轴1的内部之间连通有气管(图中未示出)。

样品托盘2底部转动连接(可在样品托盘2底部开环形的连接槽，隔离罩4的顶端与连接槽转动连接)有隔离罩4，隔离罩4上开有供基片3露出的通孔。密封门采用滑动门12，即密封门滑动连接在实验箱8上，隔离罩4与密封门通过连杆固定连接，密封门上固定胶接有门把手11。等离子发生器6底部竖直固定有伸缩杆15，伸缩杆15底端固定在实验箱8底壁上。

实际运用时将基片3放入放置槽13内，并用固定夹将基片3固定在样品托盘2上，然后把样品托盘2螺纹连接在转轴1上。旋紧样品托盘2的过程中，顶杆10能够推动活塞9向上移动，活塞9将转轴1内部的气体挤压至三个气囊14内，气囊14体积增大夹紧基片3，能够提高基片3的固定稳定性。本实施例中气囊14采用耐热材质制成，在对基片3加热的过程中，气囊14内的气体还能够一定程度的膨胀，从而使得气囊14进一步夹紧基片3。

实际运用时握住门把手11向下拉动滑动门12，即可打开实验箱8，滑动门12移动时能够带动隔离罩4一起移动，从而留出足够的空间以便取下样品托盘2。隔离罩4与滑动门12连接，而隔离罩4与样品托盘2转动连接，故样品托盘2转动时隔离罩4不会随之转动。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种氧化银薄膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、准备实验箱，实验箱内安装有等离子发生器，将带有银膜的基片固定在实验箱内；

B、对基片进行加热；

C、向实验箱内冲入氧气或氧气与惰性气体的混合气体,给等离子发生器通电，产生氧等离子体；

D、使带有银膜的基片浸润到等离子体中，银膜在氧等离子体的作用下形成薄膜；

所述薄膜具有纳米多孔结构，或表面分布纳米块状结构，或表面分布纳米片状结构；

在实验箱气压为0.3Pa，氧等离子体中氧原子密度为3.3×10¹²cm^-3，基片温度为40和80℃时，银膜氧化成表面均匀分布纳米块状结构的AgO薄膜；基片温度为150℃时，银膜氧化成具有纳米多孔结构的Ag₂O薄膜；

在基片温度为40℃，氧等离子体中氧原子密度为1.0×10¹³cm^-3～3.0×10¹⁴cm^-3，实验箱内气压为1Pa和10Pa时，银膜被氧化成表面分布纳米片状结构的AgO薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种氧化银薄膜的制备方法，其特征在于：所述薄膜为Ag₂O薄膜或AgO薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种氧化银薄膜的制备方法，其特征在于：所述基片的厚度为300nm，氧化时间为30min。

4.根据权利要求3所述的一种氧化银薄膜的制备方法，其特征在于：实验箱的气压为1Pa时，所述纳米片状结构的平均高度为240nm；实验箱的气压为10Pa时，所述纳米片状结构的平均高度为430nm。

5.根据权利要求3所述的一种氧化银薄膜的制备方法，其特征在于：在基片温度为40℃，氧等离子体中氧原子密度为1.0×10¹³cm^-3～3.0×10¹⁴cm^-3，实验箱内气压为20Pa和50Pa时，银膜被氧化成具有纳米多孔结构的AgO薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种氧化银薄膜的制备方法，其特征在于：所述实验箱内设置有用于固定基片的样品托盘，样品托盘转动连接在实验箱顶部，样品托盘设置有加热器，所述等离子发生器位于样品托盘下方。

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