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三氧化钼薄膜的制备和结构研究

来源:个人技术集锦
维普资讯 http://www.cqvip.com 第48卷第5期 武汉大学学报(理学版) J.Wuhan Univ.(Nat.Sci.Ed.) Vo1.48 NO.5 Oct.2002.589~592 2002年1O月 文章编号:0253—9888(2002)05—0589—04 三氧化钼薄膜的制备和结构研究 孙杰兵 ,熊 锐 ,王世敏 ,汤五丰 ,石 兢”,田德诚 (1.武汉大学物理科学与技术学院,湖北武汉430072; 2.湖北大学化学与材料学院,湖北武汉430062) 摘要:采用溶胶一凝胶法成功制备了三氧化钼(MoO。)薄膜.首先,以CH。C()CH zC()CH。.MoO。,CsHsCH。 和HOCH CH OCH。为原料合成三氧化钼溶胶和凝胶.凝胶的热重和差热分析(T DTA)显示三氧化钼的晶化 出现在508℃附近的140℃范围内.其次,利用旋转涂布法在硅(111)基片上通过450℃退火处理制备了三氧化钼 薄膜.XRD和FTIR谱表明薄膜为a—MoO。相.SEM形貌像显示薄膜中晶粒分布均匀致密,在基片表面无择优取 向;晶粒尺度范围在0.5~1 p-m之间. 关键词:溶胶一凝胶;三氧化钼;薄膜 文献标识码:A 中图分类号:O 484.1 火处理制备了三氧化钼薄膜.x射线衍射谱 0 引 言 在过去的几十年里,许多过渡金属氧化物,例如 WO3[ ,NiO [引,MoO3和V2O5[ ,因其良好的光 致变色和电致变色性能引起了人们极大的兴趣.其 中MoO 薄膜所表现的某些更优良的变色效果,如 在可见光区的良好的吸收能力和良好的可逆变色 (XRD)、傅立叶变换红外透射谱(FTIR)、扫描电镜 (SEM)实验用来研究薄膜的结构和形貌. 1 实 验 1.1三氧化钼溶胶的制备 性,使其在高密度储存、大面积光显示、光调制装置 等方面有广阔的应用前景E5-73.目前,三氧化钼薄 膜备受人们的关注,其制备方法已成为它走向实用 化的关键技术. 至今,很多制备MoO 薄膜的方法被尝试,如真 空蒸镀法、溅射法、电解沉积法、凝胶一溶胶法 取10 g MoO 粉末(纯度≥99.5 ,上海胶体 化工厂)放入50 mL已酰丙酮(CH。COCH COCH。)中热回流30 h使其充分反应. 反应方程式如下: MoO3+2CH 3COCH2COCH 3一 MoO2(CH3COCH2COCH2)2+H2O 等L8 .比较而言,蒸镀法、溅射法技术较复杂,对 原料和设备要求高,电解沉积法属于电化学法,处于 尝试阶段;凝胶一溶胶法因其设备简单、便于控制、易 于大面积镀膜而受到广泛的研究E 。’ ]. 本工作采用一种新的溶胶一凝胶工艺制备三氧 化钼薄膜.首先合成了三氧化钼溶胶和凝胶.对凝 胶的热重和差热分析得到MoO。的结晶转变温度. 然后在硅(111)基片上采用旋转涂布法,经450℃退 将反应后得取的混合液体经过滤后加入到250 mL单甲苯(C H CH。)中出现已酰丙酮合钼酰 (MoO2(CH。COCH2 COCH2)2)沉淀.在氮气(N2) 环境中过滤,然后将沉淀物放入约1.0×10 Pa气 压的烘箱中60℃条件下烘干,从而得到蓝灰色已酰 丙酮合钼酰粉末. 称量4.94 g已酰丙酮合钼酰,加入到60 mL已 收稿日期:2002—05—13 十通讯联系人 基金项目:国家自然科学基金资助课题(59872023) 作者简介:孙杰兵(1976一),男,硕士生,现从事低维材料研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 武汉大学学报(理学版) 第48卷 酰丙酮中.50℃条件下加热溶液使粉末完全溶解 得到透明红棕色溶胶.然后在溶胶中加入20 mL单 甲醚已二醇(HOCH。CH OCH。,纯度≥99.5 ,北 京化学制剂厂)作为溶剂和稳定剂.溶胶的浓度约 为0.19 mol/L. 550℃下加热一定量的已酰丙酮合钼酰粉末8 h使其完全分解,得到三氧化钼粉末,根据已酰丙酮 合钼酰粉末和三氧化钼粉末的量计算得到已酰丙酮 合钼粉末中钼的含量为29.4 .这个值与分子式 MoO:(CH。COCH。COCH。)。中钼的理论含量 29.5 .o4基本一致,从而证明了上面的化学反应式. 1.2凝胶的制备和TG-DTA分析 为加速水解,3 mL氨水(6.5 mol/L)加入到50 mL溶胶中.轻微加热溶液直至呈现胶体状.然后 放人真空容器中(P≈1 Pa)搅拌,得到三氧化钼凝 胶.最后把凝胶置于氮气环境中在55℃条件下加 热8 h进行老化. 凝胶的热重和差热分析采用DT一30B型分析仪 在氧气环境中进行.所测温度范围是20 ̄700℃. 升温速率为2O℃/min. 1.3薄膜制备和结构形貌观察 实验中选用的镀膜基片是Si(1l1),尺寸为0.7 cm×1.0 cm×0.2 cm.首先对基片进行超声洗涤30 min(SB5200型超声洗涤机).然后将溶胶滴在固定 在Kw一4台式甩胶机上的基片上,以1 400 r/min的 旋转速率旋转基片35 S.再将滴胶的基片放人加热 炉中退火.炉腔中的温度先以2℃/min的速率从室 温升至450℃,然后在450℃下恒温2 h,最后将炉 膛温度自然降温至室温.控温装置为DWT一702型 自动控制仪(误差±0.5℃).升温和降温全过程 中,样品在动态氧气环境中进行.本实验中,这样的 甩胶一退火操作共重复l0次以保证薄膜的厚度.由 基片截面的SEM像估计,薄膜厚度约为0.8 m. 薄膜的X射线衍射实验采用XD-3A型X射线 衍射仪(SHIMADZU).X射线源为Cu—Ka射线.操 作电压和电流分别为35 kV和10 mA.扫描角速率 为2。/min.红外谱研究采用FTIR一8201PC型红外 谱仪(SHIMADzU).仪器分辨率为4 cm_。,测量波 数范围为1 05O~400 cm一.薄膜表面形貌观察使 用X一650扫描电子显微镜(HITACHI). 2 结果与讨论 2.1 TG-DTA分析 图1给出了三氧化钼凝胶的TG-DTA曲线.其 中TG曲线为质量百分比(w/ )随温度(T/℃)的 变化关系.TG曲线和DTA曲线具有类似的4个 特征阶段,分别为20~200、200~420、420~560、 560~700℃.在20~200℃之间,凝胶的失重主要 来源于水和少量低沸点有机溶剂的蒸发.200~ 420℃阶段对应某些有机物如二氧化碳、氮化合物 的释放.从420 ̄560℃包含了在508℃处一尖锐的 峰.在560℃以上没有观察到失重现象.作者认为 420~560℃之间,随着有机物的进一步分解,在 508℃附近出现三氧化钼的晶化,薄膜的完全晶化 存在一个跨度为140℃的缓慢过程. 图1三氧化钼凝胶的热重和差热分析曲线 2.2 XRD谱 所镀薄膜的X射线衍射图样如图2.与国际粉 末衍射联合会公布的X射线衍射卡片比较,此衍射图 出现与a相MoO。一致的结果(卡片号:JCPDS 5-5O8).本文结果也与Julein等人 ]采用蒸镀法制备 的薄膜的衍射结果一致,证明了所得薄膜为正交晶系 的a-MoO3相.由图2中标出的与MoO。晶面(O2O), (O4O),(060)和(080)对应的衍射峰看出,MoO。晶粒 在基片表面沿EOlO3方向择优生长.在二倍衍射角2 一28.4。处的衍射峰来源于Si(111)面的衍射. 70 ) 图2三氧化钼薄膜的x射线衍射图 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期 孙杰兵等:三氧化钼薄膜的制备和结构研究 2.3 FTIR谱 2.4 SEM形貌观察 图3为所得有膜Si(111)基片和无膜Si(111)基 薄膜的SEM形貌照片如图4.可见晶粒致密 片的红外差减谱,即薄膜的红外谱,其中纵坐标和横 平铺在基片上,多为薄片状,晶度为0.5~l m.表 面均匀较平滑,晶粒无择优取向.选择适当的基片 坐标分别为透射率( )和波数(v/cm ).Kihl— borg等人[1 5]研究发现,口一MoO。具有正交结构,畸变 的Mo0 八面体通过共边和共顶角连接成平面层, 平面层之间通过弱的相互作用耦合成三氧化钼.在 每个八面体内,1个端点氧原子(terminal oxygen) 与钼原子成双键记为Mo- ̄O㈩.2个氧原子被2 将有利于MoO。晶粒的择优取向,提高薄膜性能,这 方面的工作正在开展之中.Wu等人[5j利用MoO。 ・xH。O溶胶在In。O。基片上滴胶并进行400℃热 处理,得到了球状三氧化钼晶粒.Comini等人[1。 选 用A1。O。基片在500℃下加热RF溅射法得到的薄 膜从而制备出针状三氧化钼纳米颗粒,并利用Mo (OC。H5) 溶胶在A1。O。基片上进行600℃热处理 个钼原子(2个Mo0 八面体)共享,它们与钼原子成 桥键(bridging bond)记为Mo—O㈤.3个氧原子被 3个钼原子(3个MoO 八面体)共享,它们与钼原子 也成桥键(bridging bond)记为Mo—O(z .此处氧 制备了连续致密的三氧化钼薄膜.与文献Es]的结 果相比,此溶胶法制得的颗粒大小与其相当,但颗粒 原子的下标表示MoO 八面体中不等价位置的氧原 子.对应上面3种成键方式,三氧化钼晶体中红外伸 缩振动存在3种模式:vMo==0(1),vMo—O㈦和 vMo—O(2).Seguin El6]关于Mo06八面体中钼氧伸 缩振动的一般解释是:一方面,钼原子质量相当于 氧原子质量的6倍,系统的振动主要来源于氧原子 形状不同.与文献E12]的溅射法相比,本实验所得颗 粒尺寸较大,形状也不同.这些差别是由于制备方 法、热处理温度、基片和原料的不同所导致的. 的振动;另一方面,Mo0 八面体中钼氧键的键长变 化在0.167 ̄0.233 nm之间不等[1 ,从而因其不等 价位置导致明显不同的氧振动模式。表1归纳了本 工作和文献[16~18]中红外振动频率及其模式定 位.可见,所有的数据是相近的,从而从红外振动模 式的角度上证明薄膜是a相MoO。. 图4三氧化钼薄膜的SEM形貌照片 3 结 论 利用溶胶一凝胶方法在硅(111)基片上制备了 MoO。薄膜.XRD和FTIR谱表明薄膜为a相MoO。 晶粒.SEM形貌照片表明基片表面的均匀致密颗 粒膜无择优取向,颗粒尺寸在0.5~l m之间. /cm 图3三氧化钼薄膜红外谱 表1 三氧化钼的红外伸缩振动频率与对应振动模式表 参考文献: r1]Cordoba de Torresi S I,Gorenstein A,Torresi R M, a1.Electromism of WO ila Acid Solutions an Elec- trochemical,Optical and Electrogravimetric Study[J]. 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Preparation and Structure Study Molybdenum Oxide Thin Films by Sol—Gel Process SUN Jie-bing ,XIONG Rui ,WANG Shi—min ,TANG Wu—feng ,SHI Jing ,TIAN De-cheng (1.School of Physics and Technology。Wuhan University。Wuhan。430072。China; 2.Faculty of Chemistry and Materials Science,Hubei University,Wuhan,430062,China) Abstract:A sol—gel process was presented to prepare molybdenum oxide thin films.Molybdenum acety1acetonate sol—gel was made by employing the system CH 3 COCH2 COCH 3/MoO3/C6 H5 CH 3/HOCH2 CH2 OCH 3.Thermal gravimetry and differential thermal analyses(TG—DTA)on gel suggest that MoO3 crystallize around 508℃covering a range of 140℃.MoO films were prepared on Si(111)substrates by spin coated method in oxygen environment at 450℃.X—ray diffraction(XRD)and FTIR spectra for as— prepared film confirm that MoO3 films are a—MoO3 phase.SEM investigations show that random—oriented and densely packed MoO3 grains films have been obtained and the longitudinal dimension of crystallites is between 0.5 to 1肚m. Key words:sol—gel process;molybdenum oxide;t hin films 

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