[发明专利]二氧化钛纳米材料的固相制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备二氧化钛单晶纳米材料(纳米线、单晶纳米片和多晶薄膜)的方法，属于纳米材料制备和半导体器件应用技术领域。

背景技术

作为最重要的氧化物半导体之一，二氧化钛纳米材料在光催化、太阳能电池、气敏等环境治理和绿色能源领域有着广泛的应用。在各种形态的二氧化钛纳米材料中，纳米线和纳米片具有独特的物理、化学性能和实用价值。与对应的二氧化钛纳米粉末相比，纳米线和纳米片的分散性好，晶体的各向异性性能也更明显，因而更适用于二氧化钛纳米器件的制造集成。

现有的制备二氧化钛纳米材料的方法多为传统的湿化学方法，如溶胶-凝胶法、水热法和电化学法等。然而，由于水分或强酸、强碱等参与反应，这类湿化学方法一方面会不可避免地引入杂质元素，另一方面也很难集成于传统的硅半导体器件。此外，湿化学方法制备过程复杂、可控性差，其反应的前驱物和产物对环境也会造成严重污染。

为了避免上述湿化学法的不足，最近人们以金[J.M.Baik et al，Applied PhysicsLetters 2008，92：242111-1-3]或镍[J.C.Lee et al，Nanotechnology，2006，17：4317-4321]纳米颗粒作为催化剂用热蒸镀气相沉积的方法来制备二氧化钛纳米线。这种方法的原材料为Ti或TiO粉末，通过高温蒸发提供气相Ti源，由于Ti或TiO原料的饱和蒸汽压很低(Ti在1067℃时的饱和蒸汽压约为10^-8Torr)，很难大面积沉积，导致用这类方法在工业上批量生产二氧化钛纳米线受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备二氧化钛纳米材料的固相生长方法，解决现有技术中存在的环境污染严重(湿化学法)或难以批量生产(热蒸镀气相沉积法)等问题。

本发明的技术方案是：

一种二氧化钛纳米材料的固相制备方法，具体步骤如下：

(1)选择钛基板为原材料，加工至所需的样品尺寸，对二氧化钛的制备表面进行打磨抛光、超声清洗，然后在干燥箱内烘干；

本发明中，原材料可以是工业钛板，也可以是特殊制备的钛单晶、钛薄膜及含钛的阵列和器件；

(2)利用喷镀设备，在处理过的钛板基体表面沉积金属催化剂薄膜，根据不同的制备需求选择催化剂的沉积厚度，沉积厚度范围为5-50纳米；

本发明中，催化剂为金或镍等金属催化剂，制备原理为固相催化生长；

(3)将负载催化剂的钛板放入可控气氛的加热炉中，通入惰性保护气体，控制气体流量50-200sccm，通气0.5-2小时后使环境气氛稳定；

(4)启动加热程序，根据制备需求选择升温速率(2-10℃/min)和加热温度(800-1500℃)，至制备温度后保温0.5-2小时；

(5)完成保温后结束加热，冷却至室温，关掉保护气体，取出样品，在钛板基体上获得制备的二氧化钛纳米材料。

本发明由钛基板提供Ti源，利用金属催化剂固相生长二氧化钛纳米材料，通过选择不同的加热温度可以控制二氧化钛产物的形貌和尺寸。在1000-1500℃加热保温，可获得单晶TiO₂纳米线，直径10-100纳米，长度3-100微米；在950±20℃加热保温，可获得单晶TiO₂纳米线与纳米片的混合物，纳米线直径10-100纳米、长度3-100微米，纳米片平面(二维)尺寸约700-1000纳米，厚度10-100纳米；在900±20℃加热保温，可获得单晶TiO₂纳米片，纳米片平面(二维)尺寸约400-600纳米，厚度为10-50纳米；在850±20℃左右加热保温，可获得TiO₂多晶膜，晶粒尺寸约200-400纳米。所有上述制备获得的不同形貌尺寸的二氧化钛纳米材料，均为具有金红石相晶体结构的纯TiO₂。

本发明与目前广泛采用的普通湿化学技术和热蒸镀气相沉积法相比，具有以下优点：

1、传统的湿化学方法因反应组元较多，易引入杂质元素，制备过程复杂，可控性差，且存在前驱物和附属产物的污染问题。本发明不使用蒸镀原料Ti或TiO粉末，而通过直接加热负载金属催化剂的Ti基板来生长二氧化钛纳米线、纳米片及多晶薄膜，利用固相生长方法制备二氧化钛纳米材料，流程少，工艺简单，产物可控；

2、本发明无需化学溶液反应或气体反应，无前躯体、附属产物、废液及废气等生成和排放，对环境友好，无环境污染；