[发明专利]大面积制备二氧化钛纳米中空球有序薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构可控的无机半导体材料薄膜的制备方法，尤其是涉及一种大面积制备二氧化钛纳米中空球有序薄膜的方法。

背景技术

二氧化钛作为一种最重要的半导体材料，具有独特的高反应活性、化学稳定性和光稳定性“Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode”[Fujishima，A.；Honda，K.Nature，1972，238，37-38]。二氧化钛中空球因具有低密度、高比表面积和易于流动的优势而在光捕捉、化学分离、光催化、光伏电池等领域有重要的应用，因此受到特别的关注“Self-etching reconstruction of hierarchically mesoporous F-TiO₂hollow microspherical photocatalyst for concurrent membrane water Purifications”[Pan，J.H.；Zhang，X.W.；Du，A.J.；Sun，D.D.；Leckie，J.O.J.Am.Chem.Soc.130，11256-11257.(2008)]。纳米结构薄膜是当前大多数光伏和光电器件研究的重要组成部件，是实现纳米技术器件化应用的基础。所以二氧化钛中空球膜的研究尤其引起了大家的研究兴趣。目前二氧化钛中空球膜的制备大多通过以聚苯乙烯球为模板的垂直沉淀或旋涂方法实现，但这些技术不能对膜厚度和有序性进行有效的控制，从而会影响薄膜的质量和光电性能“Hollow TiO₂hemispheres obtained by colloidal templating for application in dye-sensitized solar cells”[Yang，S.C.；Yang，D.J.；Kim，J.；Hong，J.M.；Kim，H.G.；Kim I.-D.；Lee，H.；Adv.Mater.，2008，20，1059.]。基于此，我们发展了一种利用聚苯乙烯球的气液界面自组装的方法，结合不同的二氧化钛溅射/水解途径，实现大面积制备二氧化钛纳米中空球有序薄膜。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简便可行的大面积制备二氧化钛纳米中空球有序薄膜的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

大面积制备二氧化钛纳米中空球有序薄膜的方法，包括以下步骤：

(1)将含有聚苯乙烯球的乙醇-水混合溶液滴加至盛有水的表面皿中，聚苯乙烯球在表面张力的驱动下在水面扩散并组装成有序的单层膜；

(2)将玻璃片探入到步骤(1)中聚苯乙烯球单层膜所在的液面正下方，然后提起玻璃片，将玻璃片上方的聚苯乙烯球有序单层膜提取到玻璃片上，自然晾干；

(3)将提取有聚苯乙烯球薄膜的玻璃片放入磁控溅射系统，对玻璃片进行二氧化钛溅射，或将上述玻璃片置于钛酸异丙酯的水溶液中，使二氧化钛在聚苯乙烯球薄膜表面进行可控包覆和沉积；

(4)将包覆有二氧化钛层的玻璃基片上的聚苯乙烯薄膜进行热处理，在480℃加热3小时，去除聚苯乙烯球构成的薄膜，即制备得到二氧化钛纳米中空球有序薄膜。

步骤(1)中所述的聚苯乙烯球的乙醇-水混合中乙醇和水的体积比为1∶1；聚苯乙烯球浓度是10～30克/升；聚苯乙烯球的直径是150～450纳米。

将步骤(2)中提取有聚苯乙烯球有序单层膜的玻璃片再探入到聚苯乙烯球单层膜所在的液面正下方并提起玻璃片，在玻璃片上得到聚苯乙烯球有序双层膜。

步骤(3)中所述的二氧化钛磁控溅射的条件是氩气氛围下室温溅射10分钟。

步骤(3)中所述的钛酸异丙酯的水溶液的浓度为20克/升。

步骤(4)所述的热处理时升温速度是1℃/min，烧结温度是480℃，烧结时间为3小时。

步骤(4)所述的二氧化钛纳米中空球有序薄膜的厚度为85～850.7纳米；二氧化钛中空球壁厚约为10纳米。

通过溅射法制备得到的二氧化钛球的形貌为中空半球，通过水解法制备得到的二氧化钛球的形貌为中空球。