[发明专利]纳米晶粒二氧化锡的电子束制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米晶粒二氧化锡的电子束制备方法，可以实现材料和结构的定区域定尺寸加工制备，属于金属氧化物材料制备和半导体器件制造工艺技术领域。

背景技术

二氧化锡是一种N型半导体材料，具有较宽的禁带宽度(室温下Eg＝3.6eV)。由于其价格便宜、热稳定性和化学稳定性较好，因此得到广泛的关注和应用。它是至今应用最广泛的气敏材料，对大多数还原性气体及毒害性气体具有较好的响应，并且反应速度快，灵敏度高，通过掺杂不同元素可以实现对气体的选择性。二氧化锡还是一种很好的催化剂及催化剂载体，具有很强的完全氧化能力，对有机物的氧化具有较好的效果。由于其具有优良的光电子特性，亦可用于透明电极，太阳能电池材料、导电材料等；此外，其还广泛应用于功能陶瓷、颜料等领域。

二氧化锡材料的晶粒尺寸对其性能有很大影响。用于气敏材料时，元件的灵敏度随二氧化锡晶粒尺寸的减小、比表面积的增加而迅速提高，特别是晶粒尺寸在6nm左右的氧化锡粉体能大幅度提高气敏元件的灵敏度，降低响应温度，缩短响应-恢复时间。二氧化锡作为催化剂的催化性也随其粒径的减小而增加。因此，制备出粒径小，比表面积高的氧化锡对于其性能的提高具有十分重要的意义

目前，已有多种制备二氧化锡的方法，大多数都基于粉体的制备，主要有气相合成法、液相合成法和固相合成法。例如：Micocci G.等(Vaccum 1996，47：1175-1177)提出的溅射法合成，Javier F.所用的化学气相沉积(Mater Chem.1997，7(8)：1421-1427)，Wang C.等(Nanostruct Mater.1996，7：421-427)提出的利用水热合成方法制备，Wang Y.等(J.AM.CHEM.SOC.2003，125：16176-16177)利用化学沉淀法合成了二氧化锡多晶纳米线等。中国专利CN 101298338A公开了一种在溶液中采用电子束辐照合成二氧化锡纳米棒晶体的方法，该方法避免使用任何催化剂，凸显了电子束辐照方法的特殊优点。

但上述所有方法都主要在溶液中进行，工艺复杂，制备时间长，还要多次洗涤防止离子残留。电子束辐照氧化的合成方法是一种新型的材料制备方法，其利用的是电子束与材料的物理交互作用。Z.Q.Liu(刘志权)等(Phys.Rev.Lett.90(2003)255504)曾利用电子束辐照成功制备了Fe₃O₄磁性材料。这种方法操作工艺简单、可控性强，能够通过选择初始原材料的不同形态和控制电子束的尺寸和路径来实现目标产物的可控制备，避免了传统模板法复杂的工艺过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米晶粒二氧化锡的电子束制备方法，解决了现有化学技术方法中存在的工艺复杂、杂质残留等问题。

本发明的技术方案是：

一种纳米晶粒二氧化锡的电子束制备方法，利用纯锡为原材料，通过电子束的物理作用将周围环境中的氧吸附到纯锡表面发生辐照氧化，从而使电子束照射区域的纯锡转变为纳米晶粒的二氧化锡；具体步骤如下：

(1)选取或制备所需纯锡或含有纯锡组织结构的材料或微型构件作为基体；

(2)将基体样品置于电子束发生设备的样品室内，调节样品位置和角度，选定所需制备二氧化锡的区域；

(3)操作设备产生电子束，选择合适的电子束束斑尺寸，电子流密度为(1.0～50)×10²⁴e·m^-2·s^-1，对选定的区域进行辐照氧化加工，经过2～600分钟，辐照剂量范围(2.0～500)×10¹⁶Gy，辐照区域的纯锡被氧化生成所需的二氧化锡材料和结构。

本发明中，二氧化锡的晶粒尺寸分布为3～15nm。

本发明中，所用原材料纯锡不仅可以是块状、薄膜、微米线、微米带、微米管、微米颗粒、纳米线、纳米带、纳米管或纳米颗粒等单质材料，而且还可以是含有纯锡组织的块状、薄膜、微米线、微米带、微米管、微米颗粒、纳米线、纳米带、纳米管或纳米颗粒等的结构或器件。

本发明中，可以在真空、一定氧气含量和大气条件下实现二氧化锡的制备，根据制备需求可选择不同的氧分压，最低的氧分压可达1×10^-6Pa。

本发明中，根据工艺需求对样品室抽取真空时，真空度为1×10^-1Pa～5×10^-6Pa，其中的氧分压可以调节设定为1×10^-2～1×10^-6Pa。