柱形并杂椎形结构NbO2(/NbO)薄膜及其制备方法 【技术领域】
本发明属于功能材料制备技术领域。
背景技术
现有的铌金属氧化物膜的技术应用多以五氧化二铌结构材料，二氧化铌和非晶结构铌金属氧化物纳米结构膜则少见报道；
目前实现金属氧化物纳米结构膜的制备方法主要有磁控溅射与射频溅射、真空蒸发、溶胶凝胶、MOCVD(金属有机物化学气相沉积)和PLD(脉冲激光沉积)方法等，这些方法在生长纳米材料的时候或者温度较高，或者仪器昂贵并且操作复杂，有些甚至耗时很长，因此采用直接蒸发方法，相比较之下具有很大的优势，尤其相对于规模生产。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种具典型形貌特征的柱形并杂椎形结构NbO2(/NbO)薄膜及其制备方法。
柱形并杂椎形结构NbO2(/NbO)薄膜材料，由过渡金属铌和氧结合形成的以二氧化铌晶体状态存在的氧化物，由一些阵列的纳米棒或纳米锥结构组成。柱形并杂椎形结构NbO2(/NbO)薄膜材料的制备方法是：将铌板材两端接在电极上，将001或111晶向的硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干后，平行固定于铌片下方或上方约0.5～1.5cm处，将反应室密封，利用通电电阻发热原理直接使用铌片作为蒸发源的直接蒸发方法。
热蒸发设定系统气压达到5Pa以下的较低真空度的亚氧环境中，以减缓蒸发源片的氧化速率，通过铌片的电流达到55～70安培，控制基片的温度在450～650℃的温区加热铌片进行蒸发，从而控制膜的生长速率以及形貌结构。
基片温控是采用自然蒸发加热方式，通过控制基片与源片的距离0.5～1.5cm，使基片的温度控制在450℃-700℃的适当温区，获得二氧化铌晶体结构金属氧化物纳米结构膜。
本发明使用铌片作为蒸发源，实现了基片在一定的控制温度下直接沉积生长柱形并杂椎形纳米结构NbO2(/NbO)金属氧化物膜材料。本发明的制备方法是利用通电电阻发热原理直接使用铌片作为蒸发源的直接蒸发方法，是与传统的坩埚热蒸发不同的一种技术。
发明技术效果
本发明的薄膜材料是由过渡金属铌和氧结合形成的以二氧化铌晶体(有时混杂少量一氧化铌晶体)状态存在的氧化物，由一些阵列的纳米棒或纳米锥结构组成。此方法的一个显著特点在于克服了现有方法在生长纳米材料的时候温度较高、仪器昂贵、操作复杂、甚至耗时较长的缺陷，实现了在相对容易控制温度和真空度下直接生长纳米结构NbO2晶体膜材料。因此相比较极具优势。由于材料的制备方法为直接蒸发法，生长条件简单经济，非常适合大规模制备和应用。由于其独特的表面性能，在催化活性和敏感器件等方面会有广泛的应用价值和前景。由于其独特的椎行结构的存在，具有很好的场发射性能，在许多电子显像以及电子探测技术方面会有潜在应用价值。又由于其在一定条件下的退火处理将生成五氧化二铌，分别是电的半导体和绝缘体性质完全不同的材料，这种良好的电学特性可用于制备开关及其他电子器件；而材料具有高折射率以及光致发光等优良的光学性能。在制备光学开关、光敏元件，激光触发器件以及其他功能材料方面将有着广阔的潜在价值，故这是一种重要的、非常好的功能材料。
【附图说明】
图1是实例1制备的薄膜材料形貌放大5000倍的SEM图片
图2是实例1制备的薄膜材料形貌放大160000倍的SEM图片
图3是实例1制备的二氧化铌混一氧化铌薄膜结构的X射线衍射谱。
图4是实例2制备的薄膜材料形貌放大40000倍的SEM图片
图5是实例2制备的二氧化铌膜薄膜材料结构XRD谱图。
【具体实施方式】
实施例
方法在实验室条件下包括以下步骤：
(1)将约0.5mm厚的铌板材用线切割的方法切成5mm×50mm的铌片，将两端接在电极上，将001或111晶向的硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干后，平行固定于铌片下方或上方约0.5～1.5cm处，落下钟罩密封；
(2)开启机械泵，使系统气压达到5Pa以下；
(3)接通电源，调节变压器，使通过铌片的电流达到55～70安培，加热铌片进行蒸发；
(4)基片温度控制在450～650℃的温区。
(5)根据需要，蒸发10～20分钟；可得几百个纳米到1个多微米厚的膜材；
(6)将变压器调至零，切断电源，结束蒸发过程；
(7)继续抽真空至材料自然冷却至室温；
(8)关闭机械泵，钟罩内外通气，开钟罩取出材料并保存。
实施例1
(1)将约0.5mm厚的铌板材用线切割的方法切成5mm×50mm地铌片，将两端接在电极上，将001或111晶向的硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干后，平行固定于铌片上方0.8cm处，落下钟罩密封；
(2)开启机械泵，使系统气压达到5Pa；
(3)接通电源，调节变压器，使通过铌片的电流达到60安培左右，加热铌片进行蒸发；
(4)控制基片温度平均在640℃左右
(4)蒸发10分钟；
(5)将变压器调至零，切断电源，结束蒸发过程；
(6)继续抽真空至材料自然冷却至室温；
(7)关闭机械泵，钟罩内外通气，开钟罩取出材料并保存。
通过对制备的薄膜材料形貌放大5000倍的SEM图片，在致密阵列的柱形结构中长出一些椎形结构。制备的薄膜材料形貌放大160000倍的SEM图片，致密阵列的柱形结构中长出椎形结构。通过制备的薄膜材料结构XRD谱图，得到以NbO2结构为主并杂NbO结构。
实施例2
(1)将约0.5mm厚的铌板材用线切割的方法切成5mm×50mm的铌片，将两端接在电极上，将001或111晶向的硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干后，平行固定于铌片下方1.2cm处，落下钟罩密封；
(2)开启机械泵，使系统气压达到4Pa；
(3)接通电源，调节变压器，使通过铌片的电流达到58安培，加热铌片进行蒸发；
(4)基片温度控制在480℃左右
(5)蒸发12分钟；
(6)将变压器调至零，切断电源，结束蒸发过程；
(7)继续抽真空至材料自然冷却至室温；
(8)关闭机械泵，钟罩内外通气，开钟罩取出材料并保存。
通过制备的薄膜材料形貌放大40000倍的SEM图片，观察到获得的材料主要是致密阵列的柱形结构。从制备的薄膜材料结构XRD谱图，观察到的NbO2结构。
实施例3
(1)将约0.5mm厚的铌板材用线切割的方法切成5mm×50mm的铌片，将两端接在电极上，将001或111晶向的硅基底用丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并晾干后，平行固定于铌片下方1.1cm处，落下钟罩密封；
(2)开启机械泵，使系统气压达到3Pa；
(3)接通电源，调节变压器，使通过铌片的电流达到60安培，加热铌片进行蒸发；
(4)基片温度控制在550℃左右
(4)蒸发15分钟；
(5)将变压器调至零，切断电源，结束蒸发过程；
(6)继续抽真空至材料自然冷却至室温；
(7)关闭机械泵，钟罩内外通气，开钟罩取出材料并保存。