[发明专利]一种富含缺陷位的片状金属氧化物薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种富含缺陷位的片状金属氧化物薄膜的制备方法，利用富含边缘缺陷的超小尺寸二维片状金属氧化物颗粒，在连接剂的辅助之下自组装形成大尺寸的超薄的片状材料；再利用氢化过程对自组装得到的薄片进行晶化处理，使得拼接的小片之间形成化学键，形成大片晶体，并在大片晶体形成过程中在材料表面和内部保留大量的边缘缺陷，从而得到富含缺陷位的二维片状金属氧化物。与现有技术相比，本方法制备得到的粉末为大尺寸片状晶体的松散堆叠，可方便的分散在溶解中，此分散液可通过多种方法沉积在柔性衬底在内的各种衬底上，制备得到致密光滑的氧化金属功能薄膜。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，尤其是涉及一种富含缺陷位的片状金属氧化物薄膜的制备方法。

背景技术

氧化物薄膜在传感器、光电催化、金属防腐、磁性存储等多种领域发挥着重要的作用。目前，柔性、可穿戴器件的制备技术是当前最具前景的新兴技术之一。沉积在柔性衬底之上的各种氧化物薄膜因在柔性器件之中起着关键性作用，受到学术界和工业界的广泛关注。

高温烧结是制备金属氧化物晶化薄膜的常规方法中的必要环节。然而，柔性衬底的低耐热性(<150℃)限制了高温烧结过程的采用。高温烧结处理的缺乏不仅降低了材料的晶化程度，也削弱了颗粒之间的连接和电子传递。基于上述原因，采用常规方法制备的基于柔性衬底的器件性能普遍劣于硬性衬底。比如，塑料衬底的染料敏化太阳能电池的η值远低于基于玻璃等硬性衬底的敏化电池。这一问题极大的限制了柔性器件的研发和使用。为了突破这一难题，一些研究者研发了磁控溅射发、激光烧结法、大气低温卷对卷化学气相沉积法等新氧化金属薄膜制备技术，但复杂而昂贵的设备和严苛的制备条件限制了这些方法的推广和应用。衬底转移法是另外一种实验室中用的薄膜沉积方法。该方法将硬质衬底上生长的高晶化薄膜剥离、转移到柔性衬底之上以制备柔性器件，但此方法步骤繁琐、产量极低，不适用于大规模工业化生产的要求。

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富含缺陷位的片状金属氧化物薄膜的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种富含缺陷位的片状金属氧化物薄膜的制备方法，首先制备得到超小尺寸的富含边缘缺陷的二维片状金属氧化物颗粒，在连接剂的作用下于冷冻干燥过程中自组装形成大尺寸的超薄的片状材料，再进行氢化处理，控制温度和压力，使得材料在晶化生长成为大尺寸颗粒的同时，其自组装形成的大尺寸二维超薄片状得以保留，小片上丰富的边部缺陷也保留在大片状材料表面或内部，从而形成富含缺陷位的二维片状金属氧化物。利用该方法制备的金属氧化物晶体为二维片状结构，其表面和内部存在大量的缺陷位。大量缺陷位的存在收窄了金属氧化物半导体的带隙，并提供了丰富的反应活性位点；二维形貌使得该材料可方便的沉积在各种衬底上以得到致密光滑的薄膜，其面-面接触的形式有效增加了颗粒与颗粒之间、颗粒与衬底之间的接触面积。

该方法具体采用以下步骤：

(1)将金属氧化物前驱体，生长阻断剂及溶剂加入至容器中，经搅拌混合均匀后送入反应装置中进行反应；

(2)用水对反应得到的超小尺寸二维片状材料进行清洗；

(3)浓缩清洗后的超小尺寸二维片状材料，加入连接剂后干燥处理；

(4)对冷冻干燥处理后的材料进行氢化处理，得到富含缺陷位的大尺寸片状金属氧化物；

(5)将生成的大尺寸二维片状材料的分散液在衬底上进行沉积，制备得到富含缺陷位的层层堆叠的金属氧化物薄膜。

步骤(1)中所述的氧化物前驱体与阻断剂的质量比为1：1～100：1；金属氧化物与溶剂的质量比为1：10～1：1000。

步骤(1)中金属氧化物包括但不限于：氧化钛、氧化锌、氧化钴、氧化钨或氧化铁。