阵列分布有序多孔薄膜材料的结构与表征_差热分析.docx

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1、阵列分布有序多孔薄膜材料的结构与表征_差热分析 论文导读:：本论文针对阵列分布有序多孔薄膜这一材料，对其制备方法等相关理论学问做了若干的分析与综述。而本次试验通过以聚苯乙烯微球(PS)沉降在玻璃基片上作为阵列模板，然后再采纳旋涂法将溶胶凝胶法制得的TiO2溶胶滴涂在聚苯乙烯微球模板上，最终通过加热去除PS而得有序多孔薄膜。为探讨其结构特征，分别进行差热分析（DTA）、扫描电镜（SEM）试验分析及X射线衍射分析方法（XRD）来记录与表征，同时对试验结果做出简要分析。论文关键词：有序多孔薄膜，聚苯乙烯(PS)微球，差热分析，扫描电镜试验分析，X射线衍射分析 1 前言 近年来，多孔有序薄膜材料凭借其

2、独特的特点受到社会的广泛关注，例如在微电子和光电子领域、电池电极及太阳能电池材料还有高效催化剂和各种敏感元件方面的应用，均具有不行替代的地位。 而志向的薄膜材料应具备多孔高度有序结构及较大的比表面积，这样才有利于更好地发挥其极佳的催化与传感等性能。本试验以TiO2溶胶为材料、聚苯乙烯微球为模板，形成有序多孔薄膜，对得到的薄膜材料以DTA的方式分析了不同温度下该材料的热分解过程，采纳SEM视察了薄膜的表面形貌和作为模板的聚苯乙烯微球形貌，利用XRD方法对薄膜的结构进行了表征，进而得出相关的试验结果并加以探讨。 从严格的角度定义，所谓的有序薄膜材料即在限定的基底上通过微粒、孔或分子等组装得到相应的

3、结构薄膜，或干脆在基底上构筑具有独特结构的材料结构薄膜（因在许多探讨领域中，材料在制备成薄膜后才能够应用，而不是干脆运用溶液）差热分析，且这种薄膜在长程范围内具有肯定排布规律，能够有序稳定地存在1。该薄膜材料不仅能够为探讨供应严格意义上的模型，而且能够为设计高性能的器件供应合适的组件。 同时，这种多孔有序薄膜的制备方法也依据详细状况的不同而变更。概括来讲，利用胶粒晶体模板制备多孔有序薄膜的常见方法主要有溶胶-凝胶法（Sol-Gel）、化学气相沉积法(CVD)、浸渍-提拉法、溅射法、喷涂法和液相渗透法(LPI) 等。其中，溶胶-凝胶法（Sol-Gel）是将金属醇盐或无机盐经水解干脆形成溶胶或经解

4、凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最终得到无机材料。而化学气相沉积（CVD：Chemical Vapour Deposition）利用气态或易于挥发成蒸气的液态或固态物质在气相或气固界面上生成固态沉积物的技术。在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应，使产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自动凝合形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米颗粒。另外，浸渍-提拉法则是将整个洗净的基板浸入预先制备好的溶胶之中，然后以精确限制的匀称速度将基板平稳地从溶胶中提拉出来，在粘度和重力作用下基板表面形成一层匀称的液膜，紧接着溶剂快速

5、蒸发，于是附着在基板表面的溶胶快速凝胶化而形成一层凝胶膜。此薄膜的厚度取决于溶胶的浓度、粘度和提拉速度。再本次试验中，采纳的是最终产物较为志向的溶胶-凝胶法（Sol-Gel）来制备有序薄膜。 2 试验方案 2.1 聚苯乙烯（PS） 微球的制备 打算两个烧杯A和B。A中加入肯定量的引发剂过硫酸铵与PH值调整剂核心期刊书目。B中加入肯定量的苯乙烯和丙烯酸。将A和B溶液混合加入三口烧瓶中，加入去离子水搅拌，并通入足够量氮气充分排出瓶内氧气。随后升温至相应温度。反应完成后将得到的乳白色溶液，超声15min后，即可得到合适粒径的PS微球。 2.2 PS微球胶晶阵列模板的制备 将制备好的聚苯乙烯微球，按肯

6、定比例稀释于表面活性剂（曲拉通X-100（即辛基苯基聚氧乙烯醚或OP乳化剂）:甲醇=1:400，体积比）与水的混合溶液。滴数滴上述稀释后的微球溶液于经过处理的、干净的玻璃基片（25×25mm）上组装PS微球胶晶阵列模板，采纳旋涂机使其匀称覆盖在基片表面。该步骤完成后差热分析，在常温下置于密封环境24h即可得到聚苯乙烯微球模板。 2.3 TiO2溶胶的制备(溶胶凝胶法) 室温条件下，将肯定量的钛酸正丁酯在搅拌的状况下加入无水乙醇后，向溶液中加入适量乙酰丙酮。用浓硝酸与乙醇的混合液调整上述溶液PH值至3，待匀称透亮溶液呈淡黄色后，再加入少量聚乙二醇溶液。 放置上述制备好的溶胶于潮湿空气

7、中3天，使之充分凝胶后，得到淡黄色晶状体（干凝胶）即可运用。 2.4 多孔TiO2薄膜的制备 采纳旋涂法，将经过充分凝胶化后的二氧化钛凝胶滴涂在聚苯乙烯微球模板上，并放置在55环境中处理6h。最终，经过500热处理（升温速率=1°/min）后即得到多孔TiO2薄膜。 2.5 掺银的工艺条件及方法 将肯定量的PVP（分子量为10000）与硝酸银混合与适量水中，在60下恒温搅拌20h后即得到含有银纳米晶的溶液。再将制备好的多孔二氧化钛薄膜置于该溶液中，浸泡2天取出，并干燥即得到掺银的阵列有序多孔薄膜。 2.6 试验测试与表征 运用差热分析（DTA）仪器视察该制得的多孔凝胶薄膜材料随着温度的

8、上升而发生的化学或物理改变；通过由FEICompany制造的规格型号为Quanta 200 FEG场放射环境扫描电子显微镜视察该薄膜和作为模板的聚苯乙烯微球表面形貌；采纳由Rigaku International Corporation制造的型号为D/max2550VB3+/PCX射线粉末多晶衍射仪对薄膜的晶型结构进行验证与表征。 3 结果和探讨 3.1 DTA的相关分析 图1为相应的差热曲线，由图可分析得到以下结论：连续渐变的差热曲线起先出现的温度大致在25左右，此时吸热反应主要在试样表面进行，但并不代表反应起先的真正温度，这只是仪器所检测到的温度2。实际反应起先的温度比曲线出现的温度略微晚

9、一些，通过作切线可知在28。随后，在80120范围内，出现了一个扁而宽的吸热峰，该吸热峰一方面是由于在合成多孔凝胶膜过程中低沸点有机物如乙醇（沸点78.4°C）等物质的分解，另一方面是试样中的吸附水在加热过程中脱去而发生吸热作用。接着，在160时，出现了一个较尖锐的放热峰，该放热峰是有机物中的氧等低价元素被氧化的结果，导致热效应突显。而在180260范围内，出现了一个相对很弱的吸热峰，该峰是有机物乙二醇（沸点197.85）等物质的分解，但热效应很小。另在270330范围内差热分析，存在一个较明显的放热峰，该放热峰是薄膜中有机物钛酸正丁酯的氧化，变价元素由低价变为高价，并放出热量，同时无

10、定形的非晶态TiO2在加热过程中转变为锐钛矿晶型TiO2，此峰为特别尖锐的析晶峰。再有，在340430范围内，存在一个温度较宽的吸热峰，此峰为晶体中层间水和结构水的脱去，故表现为吸热。最终，在400600范围内，同样出现一个范围较宽的放热峰，该放热峰应为在加热过程中TiO2晶体由锐钛矿型部分转变为金红石型，此时出现了锐钛矿型与金红石型混晶共存的状态3。通过查阅相关文献可知，温度越高，金红石型晶体析出的比例越大，而金红石型属四方晶系,以钛为中心原子，6个氧在其四周形成八面体稳定结构4，故可以做出推想：假如接着上升温度，锐钛矿晶型会渐渐消逝，直至完全转化为金红石晶型。 Figure 1 DTA s

11、pectrum of porous gel film 图1 多孔凝胶薄膜的DTA谱 3.2SEM的相关分析 由图2的阵列多孔薄膜SEM照片可以看出，薄膜表面形成排列紧密的颗粒，粒径主要分布在1020nm之间，其形态主要为球形，分布较为匀称，粒径也较为均一，表面匀称平整。整体上来讲，凝胶的填充规整性较好，成膜质量高差热分析，但部分仍存在若干缺陷。另外薄膜表面出现的缝隙是由于有机物受热分解之后留下的。在本次试样测试中，多孔膜的颗粒粒径比PS微球模板的粒径要大一些，这是由于在旋涂在旋转过程中分子碰撞团聚5，导致加热后颗粒变得较大，但这种改变对于此薄膜来说，还是在可以接受的范围之内。 说明：因为此次试验的场放射扫描电镜放大倍数为50000倍，而制成的薄膜厚度在几十个nm之间，此图的范围为1μm，故相对来说辨别率不是很高，若希望视察到更清楚的效果，应采纳透射电镜。 Figure 2 Arrays of ordered porous filmin SEM 图2阵列式多孔膜的SEM照片 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页