二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法.pdf

一种二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法，涉及电极材料和半导体薄膜制备工艺。其制备的方法：首先采用磁控溅射的方法在基片上沉积纯钛薄膜，溅射参数：溅射功率105－150W，工作压强0.1－0.5Pa，基片不加热，溅射时间为0.5－2h；然后在室温条件下阳极氧化钛膜得到规整排列的TiO2纳米管阵列，阳极氧化参数为：钛膜试样为阳极，铂片作为阴极，两极间的距离为10－50cm，电解液中物质质量比为H3PO4∶HF∶H2O＝10∶0.5－1∶100，恒定电压为10－20V；该电极可广泛应用于透明光学器件(如染料敏化太阳能电池，电致变色器件等)及气体传感器，也适合于微型化器件的组装和柔性电极的制备。

1、  一种二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①基片上高密度纯钛薄膜的室温制备：
先超声清洗基片，溅射真空度达到要求后，在溅射功率105-150W，氩气压强0.1-0.5Pa，基片不加热，溅射时间为0.5-2h的参数下沉积钛薄膜；
②TiO₂纳米管复合电极的室温制备：
将溅射后的试样嵌套在金属夹具上作为阳极，后将整个试样完全浸入到电解液中室温下进行阳极氧化；其中铂片作为阴极，两极间的距离为10-50em，电解液中物质质量比为H₃PO₄∶HF∶H₂O＝10∶0.5-1∶100，恒定电压为10-20V，反应时间为30-60min。

2、  根据权利要求1所述的二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法，其特征在于：在第②步TiO₂纳米管复合电极的制备过程中，利用电流表监测其电流变化，电流经历了先迅速下降再缓慢上升的过程，然后达到稳态，在稳态的最后阶段电流会发生陡变即说明钛膜全部氧化为TiO₂纳米管，反应结束。

3、  根据权利要求1所述的二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法，其特征在于：在第②步TiO₂纳米管复合电极的制备过程中，先用剪刀将金属薄片剪成10-15mm*10-15mm，后在距离任一边的中线左右各1-3mm处开两个长2-5mm缝隙，中间的金属向下弯曲贴住氧化的试样起到导电作用，而两边向上弯曲夹紧试样使其不易脱落，当试样夹好后，再用绝缘胶封装其接触部分的外表面以防止电解液腐蚀金属夹具。

4、  根据权利要求1所述的二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法，其特征在于：所述基片为导电的聚对苯二甲酸乙二酯或聚萘二甲酸乙二醇酯柔性基底，导电膜为氧化铟锡膜。

5、  根据权利要求1所述的二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法，其特征在于：所述基片为普通玻璃，导电玻璃，硅片，铝片，铁片和不锈钢中的任意一种。

二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法
技术领域
本发明涉及一种在室温条件下通过阳极氧化不同基片上的钛膜上来获得二氧化钛纳米管阵列电极的方法，特别涉及到钛薄膜的真空制备技术以及不同基片上制备高规整度的二氧化钛纳米管阵列的电化学制备方法，属于半导体薄膜制备工艺技术领域。
背景技术
纳米TiO₂是一种重要的无机功能材料，因具有光电转化、气敏、介电效应及优异的光催化性能等优点，使其在太阳能电池、传感器、介电材料、自洁材料和光催化降解有机物等领域有重要的应用前景，成为国内外研究的热点。2001年美国科学家Varghese利用电化学阳化的方法，首次制备出了TiO₂纳米管阵列(Dawei，G.J.Mater.Res.，2001，16：3331)，引起人们的极大关注。相对于其他的制备方法，如模板合成法、水热合成法等，阳极氧化法较为简单，且成本低廉及易于固定，因此是制备TiO₂纳米管阵列的最主要的方法。
目前阳极氧化的研究集中在通过调整和优化阳极氧化的参数在钛箔上直接氧化得到不同性能的TiO₂纳米管阵列。但是所制备TiO₂纳米管都是基于钛箔上，这样将大大限制TiO₂纳米管的应用。存在主要问题是由于纳米管底部存在0.1-1mm厚度的不透明钛金属，容易使一些器件(如气体传感器)造成短路，同时限制了在透明光学器件(如染料敏化太阳能电池，电致变色器件)的应用，也不适合于微型化器件的组装；其次，在振动的环境下，以钛箔为基底的器件容易因为缺乏机械强度而失效。所以，需要考虑一种在任何基材都能制备出TiO₂纳米管阵列的新方法。2005年Mor研究小组(Mor，G.K.Adv.Funct.Mater.，2005，15：1291)在低温5℃条件下，电解液体系为CH₃COOH/HF条件下分别在玻璃基片和导电玻璃上阳极氧化钛薄膜(钛膜溅射温度为500℃)的得到TiO₂纳米管；其他研究学者也通过同样方法在低温的条件下成功在硅片、玻璃基片等上(Yu，X.F.NanoTechnology，2006，17：808；Macak，J.M.Chemical Physics Letters，2006，428：421；Chu，S.Z.Adv.Funct.Mater.，2005，15：1343)获得TiO₂纳米管阵列；2007年Leenheer(Leenheer，A.J.J.Mater.Res.，2007，22(3)：681)在室温条件下采用相同方法在CH₃COOH/HF体系中在导电玻璃上阳极氧化钛膜(溅射的衬底温度为500℃)，但是只能得到纳米多孔结构，所以需在室温条件下选择合适的无机电解液快速制备TiO₂纳米管，虽然甘油体系可以形成，但是需时太长，且成本较高；其次，对于在柔性导电基底上制备纳米管阵列，其耐温一般小于200℃，不能采用高温沉积的方法，必须在常温的条件下制备出具有高密度的钛膜，所以需在室温下不加热基片的情况下制备致密度高、均匀性好的纯钛薄膜，以保证阳极氧化过程中，薄膜不易从基片上脱落，同时对于导电玻璃等基片，如果也能在室温下沉积获得高密度钛膜，也将降低其制备薄膜的成本。
发明内容：
本发明的目的是提供一种在室温条件下阳极氧化不同基片上的钛膜从而快速得到TiO₂纳米管复合电极的方法。该方法能够使TiO₂纳米管复合电极应用于透明光学器件(如染料敏化太阳能电池，电致变色器件等)及气体传感器，也适合于微型化器件的组装及柔性电极的制备。
本发明实现上述的目的所采用的技术方案是：
①基片上高密度纯钛薄膜的室温制备：
先超声清洗基片，溅射真空度达到要求后，在溅射功率105-150W，氩气压强0.1-0.5Pa，基片不加热，溅射时间为0.5-2h的参数下沉积钛薄膜；
②TiO₂纳米管复合电极的室温制备：
将溅射后的试样嵌套在金属夹具上作为阳极，后将整个试样完全浸入到电解液中室温下进行阳极氧化；其中铂片作为阴极，两极间的距离为10-50cm，电解液中物质质量比为H₃PO₄∶HF∶H₂O＝10∶0.5-1∶100，恒定电压为10-20V，反应时间为30-60min。
上述的二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法，其特征在于：在第②步TiO₂纳米管复合电极的制备过程中，在第②步TiO₂纳米管复合电极的制备过程中，利用电流表监测其电流变化，电流经历了先迅速下降再缓慢上升的过程，然后达到稳态。在稳态的最后阶段电流会发生陡变即说明钛膜全部氧化为TiO₂纳米管，反应结束。
上述的二氧化钛纳米管复合电极的室温制备方法，其特征在于：在第②步TiO₂纳米管复合电极的制备过程中，先用剪刀将金属薄片剪成10-15mm*10-15mm，后在距离任一边的中线左右各1-3mm处开两个长2-5mm缝隙，中间的金属向下弯曲贴住氧化的试样起到导电作用，而两边向上弯曲夹紧试样使其不易脱落，当试样夹好后，再用绝缘胶封装其接触部分的外表面以防止电解液腐蚀金属夹具。
与现有的制备TiO₂纳米管方法相比，本发明可以实现室温下在柔性导电基片、导电玻璃、普通玻璃等上在等获得TiO₂纳米管，可以获得可弯曲的柔性电极和TiO₂纳米管透明电极，大大拓展其应用范围；其次只需在室温下在不同基片上获得具有高致密度的纯钛膜，且结合牢固，阳极氧化过程不易脱落；最后，由于采用新的电解质溶液体系，能够在室温下制备出纳米管阵列，且纳米管分布均匀，即可以在较宽的温度范围内得到纳米管阵列。
附图说明
图1不同氩气压强下钛薄膜的表截面形貌图，图1(a)，(b)，(c)分别对于氩气工作压力为0.1Pa，0.5Pa，1.5Pa。
图2不同溅射功率钛薄膜的表截面形貌图及XRD图，图2(a)，(b)，(c)，(d)分别对于溅射功率为75W，150W，167W和不同溅射功率的XRD图。
图3金属夹具示意图，其中①是铜线，②是金属薄片，③是金属片的导电部分，④是钛膜试样。
图4室温条件下制备的TiO₂纳米管表面形貌图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子，详细说明高密度的纯钛薄膜的室温制备及室温下不同基片上的TiO₂纳米管电极制备方法。
实施例1
采用磁控溅射方法在玻璃基片上制备具有高密度的纯钛薄膜。
先将玻璃基片依次浸放于丙酮，酒精，去离子水中分别超声清洗15min，放入溅射室中抽真空。当溅射室的真空度低于7.0×10^-4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，先对钛靶进行预溅射20min，去除靶材表面的氧化物。
第一步，在溅射功率为105W的条件下，在不同的氩气工作压力下(0.1-1.5Pa)在玻璃基片上沉积钛薄膜。
第二步，在氩气工作压力为0.5Pa的条件下，在不同的溅射功率(75-167W)在玻璃基片上沉积钛薄膜。
第三步，在氩气工作压力为0.5Pa和溅射功率为105W的条件下，在玻璃基片沉积不同厚度(0.5-2.5h)的钛薄膜。
检测结果：由图1可知，当氩气工作压力由0.1Pa增加至1.5Pa时，薄膜截面从较致密的组织结构转变成松散的柱状结构，晶界明显且增多，表面粗糙度增加，氩气工作压强优选为0.1-0.5Pa；从图2可知，在不同的溅射功率下均出现了钛的密排六方结构α相的(002)峰，在溅射功率较低(＜105W)时，薄膜倾向于生成非晶和晶粒细小的多晶结构(图1(b)，图2(a))；在溅射功率为150W时，钛晶粒择优取向程度强烈，(010)峰消失，(011)峰强度迅速减弱，在Ti的(002)峰上择优生长，六方晶表面型态开始出现且晶界明显(图2(b))；增至167W时，呈现明显独立的六方晶表面型态，晶体颗粒尺寸约为150nm，截面有孔洞出现，致密度下降(图2(c))，溅射功率优化为105-150W。在溅射功率为105W，溅射时间分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5h，所测的膜厚分别约为0.41，0.84，1.25，1.67，2.08μm，厚度和溅射时间呈近似线性关系，溅射速率约为0.23nm/s。对于普通玻璃等基底上制备钛膜，一般厚度要求在400-2000nm；这是由于钛膜太厚质量很难保证，其次对于H₃PO₄/HF电解液体系，钛膜厚度增加到一定厚度后TiO₂纳米管的长度增加不明显，且很难使钛膜全部转化为TiO₂纳米管，难以得到透明电极。
实施例2
FTO导电玻璃上二氧化钛纳米管阵列复合电极的制备。
第一步，先将导电玻璃基片依次浸放于丙酮，酒精，去离子水中分别超声清洗15min，放入溅射室中抽真空。当溅射室的真空度低于7.0×10^-4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，先对钛靶进行预溅射20min，去除靶材表面的氧化物，在导电玻璃上沉积700-900nm的钛膜。
第二步，将溅射后的试样嵌套在金属夹具上作为阳极，如图3所示，先用剪刀将金属薄片剪成10mm*10mm，后在距离任一边的中线左右各1-3mm处开两个长2-5mm缝隙，中间的金属向下弯曲贴住氧化的试样起到导电作用，而两边向上弯夹紧试样使其不易脱落；然后用绝缘胶封装其接触部分以防止电解液腐蚀金属夹具，经去离子水清洗吹干后将整个试样完全浸入到电解液中室温下(20℃)进行阳极氧化。其中铂片作为阴极，两极间的距离为30cm，电解液为电解液中物质质量比为H₃PO₄∶HF∶H₂O＝10∶1∶100，恒定电压为20V，阳极氧化50min取样，用去离子水清洗后吹干。
检测结果：图4是室温下阳极氧化电压为20V，氧化时间为50min时形成的纳米管阵列的表面形貌图。氧化50min时，纳米管的结构明显且规整排列，同时氧化膜表面较为干净，管内径约为90nm，管壁约为15nm，从而在导电玻璃上获得了TiO₂纳米管阵列。
在其他条件不变的条件下，氧化电压在10-20V变化，纳米管的外径在30-105nm变化，纳米管的长度也会有相应的变化；别的条件不变，电解液中的HF质量比在0.5-1变化，均可以生长纳米管阵列，但是反应的速率不同，管径基本不变，管长变化较为明显；别的条件不变，阳极氧化时间在30-60min变化，纳米管的长度在250-400nm之间变化，管径参数基本不变，纳米管表面的覆盖物逐渐减少。
将导电玻璃的基片换成柔性导电基片材料，普通玻璃，导电玻璃，硅片，铝片，铁片和不锈钢，均可以得到纳米管阵列，其阳极氧化的过程均类似。柔性导电基底的导电膜是氧化铟锡膜(indium-tin oxide，ITO)，基底是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯，因其耐高温性能较差，需采用低温下沉积，但钛薄膜的厚度不宜过厚，否则其柔性得到限制；对于普通玻璃，导电玻璃和硅片，在电解液中不易被腐蚀且背面不导电，直接在金属夹具上氧化即可得到；对于铝片，铁片和不锈钢，其背面导电且在电解液中易被腐蚀，所以需要用绝缘胶保护其背面及其它不需氧化的部分。