[发明专利]一种高光电性能三氧化钨薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高光电性能三氧化钨薄膜的制备方法，属纳米新材料合成领域。

背景技术

三氧化钨（WO₃）是n型半导体材料，禁带宽度约为2.5～2.9eV，可吸收波长为410～500nm的可见光，对太阳光有较高的利用率；有序纳米结构三氧化钨具有纳米材料的特性和突出的量子效应，在电致变色、光致变色、气致变色以及光解水等光电性能方面表现突出的性质。

纳米结构三氧化钨的制备方法有溅射法、热蒸发法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、阳极氧化法、模板法以及水热法等。其中水热法设备简单，原材料丰富，反应温度低，产物结晶度高，可合成一些特殊结构的材料，适合大规模生产，受到了广泛的研究。Shibuya等最先采用水热法在钨片上制备纳米树状WO₃薄膜（Adv.Mater.，2009，21（13），1373-1376），Amano等首次采用溶剂热法在预先制备WO3籽晶层的FTO基底上制得WO₃纳米片阵列薄膜（Chem.Comm，2010，46（16）：2769-2771），Su和Jiao分别研究了反应条件和添加剂对溶剂热法制备的WO₃薄膜形貌的影响（Nano.Letters，2010，11（1）：203-208；ACS Appl.Mater.Inter，2011，3(2)：229-236）。Zheng等采用水热法直接在基底制备六方相WO₃纳米棒阵列薄膜，研究发现溶液的pH值对薄膜的形貌及排布方式有重要影响（CrystEng.Comm，2013，277-284）。Yang等通过水热法在没有籽晶层的FTO基底生长垂直纳米片阵列薄膜，并研究了不同添加剂、反应时间和反应温度对形貌以及光电性能的影响（J.Mater.Chem，2012，22（34）：17744-17752）。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种制备形貌良好、由单斜相三氧化钨纳米片构成的具有高光电性能的三氧化钨薄膜的方法。

本发明提供了一种高光电性能三氧化钨薄膜的制备方法，该方法是将钨酸盐溶于水配成钨酸盐溶液，再依次在所得钨酸盐溶液中加入盐酸和固体杂多酸，搅拌至无沉淀产生，形成前驱体混合液；在所得前驱体混合液中加入草酸铵作为结构导向剂，以FTO基底为载体，通过水热法在FTO基底上沉积三氧化钨晶体后，将沉积了三氧化钨的FTO基底进行煅烧，即在FTO基底上制得三氧化钨薄膜；

所述杂多酸的加入量是钨酸盐摩尔量的5%～35%；

所述的杂多酸为磷钨酸、磷钼酸、硅钨酸中的一种或几种。

本发明的高光电性能三氧化钨薄膜的制备方法还包括以下优选方案。

所述的制备方法中水热法在FTO基底上沉积三氧化钨晶体是在高压反应釜中进行，控制温度为80～300℃，反应5～36h；优选为控制温度为100～180℃，反应10～24h。

所述的煅烧是在400～600℃下保温0.5～4h。

所述的钨酸盐为钨酸钠、钨酸钾、钨酸锂或钨酸铵。

所述的盐酸加入过量。

所述的三氧化钨薄膜晶型为单斜相，形貌为纳米片状。

优选的制备方法是将钨酸盐溶于水配成钨酸盐溶液，在所得钨酸盐溶液中先加入过量盐酸酸化，再加入钨酸盐摩尔量5%～35%的磷钨酸、磷钼酸或硅钨酸中的一种或几种杂多酸，搅拌至无沉淀产生，得到前驱体混合液；所得前驱体混合液中加入草酸铵作为结构导向剂，继续搅拌0.5～2h后，转移至放置有FTO基底的高压反应釜中，控制温度在100～180℃下，反应10～24h，自然冷却至室温，将负载了三氧化钨晶体的FTO基底取出，在马弗炉中以400～600℃高温煅烧0.5～4h，在FTO基底得到三氧化钨薄膜。

本发明的有益效果：本发明在水热法制备三氧化钨薄膜的过程中，首次采用盐酸和杂多酸共同酸化，意外发现，在酸化过程中掺入少量的杂多酸就能较大幅度地提高制得的三氧化钨薄膜的光电性能。通过本发明的制备方法获得的三氧化钨薄膜为单斜相，纳米片形貌结构良好，裂纹少，界面上缺陷的减少，降低了电子与空穴复合的几率，使得电子与空穴复合几率降低，减少了电子在薄膜中传输的阻抗（与阻抗图对应），从而提高薄膜的光电性能。本发明制备方法设备简单、操作简单可行，满足工业化生产。

附图说明

【图1】为对比实施例1所得的三氧化钨薄膜的扫描透射图谱。

【图2】为实施例1所得的三氧化钨薄膜的扫描透射图谱。