[发明专利]一种用热氧化法制备三氧化钨纳米片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用热氧化法制备三氧化钨（WO₃）纳米片的方法，属于纳米材料领域。 

背景技术

WO₃是一种重要的半导体材料，在气敏、催化、光电转换、场发射等领域有重要的应用。具有二维结构的三氧化钨纳米片，因为其具有独特的光电特性，近年来越来越受到人们的关注。 

目前，二维结构WO₃纳米片的制备方法主要包括化学合成、化学剥离或使用催化剂热氧化方法。其中化学合成的方法的报道较多。例如，陈德良等人发明了一种利用水热法制备三氧化钨纳米片的方法（中国发明专利：ZL200710054544.6），该方法以层状结构钨酸（H₂W₂O₇·xH₂O）和烷基胺（CH₃(CH₂)_nNH₂）为原料，经过磁力搅拌反应和烘烤制备得到面积为(100-800)nm×(100-800)nm，表观厚度为5-40nm的WO₃纳米片。Jinmin Wang等人用W粉为原料，与H₂O₂化学合成的方法制备了WO₃的纳米片，纳米片的尺寸约为五百纳米[Jinmin Wang,et al，Journal of Crystal Growth,311,316(2009)]。Mollie RWaller等人采用化学剥离Bi₂W₂O₉的方法制作了单晶WO₃片状结构[Mollie R Waller,et al,Chemistty of Materials,24(4),698(2012)]。在用热氧化方法制备纳米片方面，目前只有北京大学的Jing Xiao等人报道。他们使用碘化钾作为催化剂，通过热氧化在块体的钨上生长出WO₃纳米片[Jing Xiao,et al,Proc.8th IVESC and Nanocarbon(IVESC),2010,p316]。 

在上述的制备方法中，利用化学方法制备一般都需要经过液相的反应，容易引入杂质。而采用催化氧化法，催化剂的存在也会引入杂质。而且目前的方法所制备的WO₃纳米片的尺寸较小，长和宽一般不超过几百纳米。 

发明内容

本发明提出了一种不采用任何催化剂，直接热氧化金属钨制备氧化钨纳米片的方法。该方法具有简便，可控性好特点，而且可以实现定域制备，所制备的氧化钨纳米片的面积较大。 

本发明所述的制备WO₃纳米片的方法的原料为金属钨，包括块体金属钨和制备于衬底上的金属钨薄膜。 

当以制备于衬底上的金属钨薄膜作为原料时，用热氧化法制备三氧化钨纳米片的方法其制备步骤如下： 

1）清洗衬底; 

2）在衬底上镀金属钨薄膜; 

3）将步骤2得到的样品放入可以加热的腔室中，往腔室内通入N₂，或惰性气体，或氧气与N₂，或氧气与惰性气体的混合气体,使腔室内氧气浓度降低至小于10%，所述惰性气体优选Ar气； 

4）腔室内温度升高至400℃~800℃，并保温，在此过程中，需通入N₂或者Ar气，流量一般比步骤3的小； 

5）不通气自然降温或通惰性气体降温，直至室温。 

具体来说，步骤2中金属钨薄膜的厚度为200nm~2μm。优选500~800nm。 

步骤3中氧气浓度优选控制在1~10%。 

步骤2中可以采用磁控溅射、或电子束蒸发或电镀方法等进行金属钨薄膜的镀膜。 

步骤2中当原料是制备于衬底上的金属钨薄膜时，金属钨薄膜可以整片制备在衬底上，也可以定域制备在衬底上。当采用定域制备时，选用光刻法、掩模法或者丝网印刷法等方式定域制备钨薄膜图形。 

所述的衬底可以选用Si片、或玻璃、或ITO玻璃、或金属或陶瓷。所述ITO玻璃是指在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡（ITO）膜。 

步骤3中可采用箱式炉、或管式炉或者热板对腔室进行加热。 

步骤4中的保温时间为10min~5h。优选1~2h。 

当以块体金属钨为原料时，用热氧化法制备三氧化钨纳米片的方法其制备步骤如下：