[发明专利]由溶液获得的纳米复合材料前体溶液，制备薄膜的方法和由其制得的薄膜

说明书

本申请要求2011年2月2日提交的名称为Solution Derived Nanocomposite Precursor Solutions and Methods for Making Thin Films的美国临时申请61/438,862的优先权，其全文通过引用并入本文。

技术领域

公开了由溶液获得的纳米复合材料（SDN）前体溶液，其包含一种或多种、优选两种或更多种溶解在液体中的金属前体，所述液体包含极性质子溶剂和极性非质子溶剂。该前体溶液的特征在于在向前体溶液或前体溶液的薄层施加剪切力之后凝胶的形成。还公开了使用这样的前体溶液来制备薄膜的方法，使用所述前体溶液制得的薄膜，具有最小表面积的薄膜以及在这里所公开的包含薄膜的装置。

发明背景

在许多装置中有薄膜涂层或多层膜堆的层。例如，二元和三元金属-非金属化合物，包括但不限于Y₂O₃, ZrO₂, YZO, HfO₂, YHO, Al₂O₃, AlO₂, ZnO, AZO, ITO, SiC, Si₃N₄, Si_xC_yN_z, Si_xO_yN_z, TiO₂, CdS, ZnS, Zn₂SnO₄, SiO₂, WO₃, CeO₃等，已经作为用于各种不同目的的薄膜涂层或者多层膜堆的层而沉积。这样的薄膜包括透明导电氧化物（TCO）电极、钝化膜、背面电场（BSF）层、扩散阻挡层、增频变频器、降频变频器、选择性发射极掩膜、离子存储层(如锂离子电池或电致变色器件中的)、固体电解质、防潮层、耐磨层、绝热层、阻抗校正层、表面改性层、介电薄膜、反射和抗反射层等。

用于沉积这样的薄膜的已知方法有许多。这些方法可被分为两类：真空技术，如PVD、CVD、ALD和MBE，以及非真空技术，例如电镀、CBD和丝网印刷。所有的这些方法均昂贵且耗时。

溶胶-凝胶方法已被用于制备薄膜。溶胶-凝胶薄膜可以使用包含颗粒的胶体悬浮溶液或者溶胶-凝胶溶液的溶胶-凝胶介质来制备。使用溶胶-凝胶溶液的方法通常涉及施加包含金属前体、如与金属醇盐结合金属盐，的溶胶-凝胶前体溶液的薄膜。在某些应用中，薄膜会在200℃至900℃的温度下退火。例如参见US 2004/0058066和US 2007/0190361。

还制备了混合溶胶-凝胶薄膜。这样的薄膜包含无机和有机组分并且可被分为两类：（1）包含嵌在无机基质中有机分子、预聚物或聚合物的那些和（2）包含通过共价键连接的无机和有机组分的那些。这样的混合溶胶-凝胶可以通过UV诱导的聚合或作为特定反应的产物而制备。如果需要的话，通常在约20℃至200℃之间进行额外的固化。

溶液溶胶-凝胶方法通常涉及浸渍、纺纱或喷涂，并且由此被限制在可以涂覆薄膜的基底表面。例子包括光学透镜以及生物医学设备，如植入物和血管支架。可由这样的技术所覆盖的最大表面积典型地小于约50cm²。通用的辊式涂布机并未被成功地使用，因为使用非牛顿流体时形成并保持动态润湿线有困难。

发明概述

在一种实施方案中，SDN前体溶液包含（1）一种或多种、优选两种或更多种溶胶-凝胶金属前体和/或溶胶-凝胶类金属前体，（2）极性质子溶剂和（3）极性非质子溶剂。每种组分的含量是这样的，使得在向前体溶液或前体溶液的薄层施加剪切力之后，该SDN前体溶液形成凝胶。在优选的实施方案中，极性非质子溶剂的含量为前体溶液的约1-25vol%。

溶胶-凝胶金属前体中的金属可以是过渡金属、镧系金属、锕系金属、碱土金属和第IIIA族至第VA族金属或其与其它金属或类金属的组合中的一种或多种。

溶胶-凝胶类金属前体中的类金属可以是硼、硅、锗、砷、锑、碲、铋和钋或者其与其它类金属或金属的组合中的一种或多种。