一種碳鎳納米棒薄膜的製備方法與流程
2023-04-24 22:24:22 1
本發明屬薄膜製備技術領域，具體涉及一種碳鎳納米棒薄膜的製備方法。
背景技術：
本發明的碳鎳納米棒薄膜是由碳鎳化合物（nicx）納米棒構成。nicx是一種過渡金屬碳化物，這類化合物具有良好的機械性能、抗化學腐蝕和抗氧化性、熱學和電子傳導特性，其中大多數性質得到了第一性原理的驗證，其應用涵蓋磁性傳感器、磁存儲器和電解水等領域。關於nicx的記載最早見於1988年zhaoyz課題組的研究，他們利用化學氣相沉積方法製備了nicx的無規則絲狀結構；之後的2012年linwh課題組在製備碳納米管過程中發現c原子會向金屬ni晶體中擴散，最終可形成nicx結構；2016年yanghd課題組利用電沉積方法在覆蓋有ni的銅片上實現了nicx納米薄片的生長，並將其應用於電解水，得到了較高的電解水效率和穩定性。另外還有文獻指出碳鎳材料具有大小約0.8emu/g（磁荷/克）的鐵磁性，可用於生物醫學做傳感器。碳鎳材料具有如此有價值的電學、磁學等方面的性質，但是目前尚無直接用物理方法合成的文獻報導。脈衝雷射沉積技術是近年來發展起來的薄膜製備技術，具有沉積速率快、沉積薄膜成分可控、參數易於調節等優點，通過該方法燒蝕產生的等離子體可在襯底上沉積得到與靶材料成分一致的薄膜；而熱退火工藝是合金製備和器件成型中常用的處理手段，有利於薄膜材料結晶成型，減少缺陷，可以導致某些特殊結構的形成和特殊材料的生長。
技術實現要素：
本發明的目的在於將脈衝雷射沉積和熱退火相結合，提供一種碳鎳納米棒薄膜的製備方法。
本發明採用脈衝雷射沉積方法在石英襯底上沉積一層ni/c雙層膜，隨後通過熱退火工藝在管式退火爐中進行後處理得到碳鎳納米棒薄膜材料。利用脈衝雷射沉積方法在石英襯底上製備得到緻密的ni/c雙層膜，熱退火可以實現納米棒材料的生長成型。合成的碳鎳納米棒薄膜材料由底部直徑20-50納米，長度約80--150納米的棒狀納米結構構成，主要成分為nicx，頂端伴隨一定ni含量的納米顆粒。
本發明首先提供一種可應用於透明電極的碳鎳納米棒薄膜，其主要成分為nicx；所述碳鎳納米棒指的是過渡金屬ni的碳化物nicx的棒狀一維納米結構。
所述的碳鎳納米棒底部直徑為20-50納米，長度為80--150納米，典型的為100納米；
本發明還提供上述碳鎳納米棒薄膜的製備方法，具體步驟為：
1、首先，在真空度為2´10-3pa的真空腔中，在清洗過的光滑石英襯底表面沉積一層10-30納米厚度的金屬ni作為催化層和前驅物，沉積時間約4-6分鐘；沉積過程採用脈衝雷射沉積方法；
2、其次，利用同樣的方法在沉積有ni的石英襯底上繼續沉積石墨粉末，沉積時間約4-6分鐘；
3、再次，將沉積有ni和石墨粉末的石英襯底移入管式退火爐中進行高溫退火，退火時間為5-60分鐘，退火溫度為1100-1250攝氏度；
其中，所述熱退火過程的退火氣氛優選為氮氣；退火時間優選為40-60分鐘，退火溫度優選為1150-1200攝氏度，退火氣壓為1個標準大氣壓，退火氣體流量為0.8-1.2升/分鐘，優選退火氣體流量為1升/分鐘；
4、最後，將管式退火爐自然冷卻，待溫度降為室溫時取出樣品，得到nicx納米棒薄膜。
本發明將脈衝雷射沉積技術和熱退火工藝相結合，製備的碳鎳納米棒薄膜主要成分為鎳和石墨，故具有良好的導電性能，並具有可見光區高透過率的結構，可以在太陽能電池領域加以應用，成為一種新型透明電極材料。
附圖說明
圖1為本發明具體實施裝置結構示意圖。其中，（a）為脈衝雷射沉積裝置圖示，（b）為退火裝置圖示。
圖2為本發明碳鎳納米棒薄膜表面形貌掃描電鏡照片。其中，鎳-碳層約20納米,退火氣氛-氮氣，退火溫度-1200攝氏度，退火時間-60分鐘。從圖中可以看出利用該發明所述方法可以得到均勻分布的碳鎳納米棒，其直徑約幾十個納米，長度為幾百納米。
圖3為透射電鏡和選區電子衍射圖。其中，鎳-碳層約20納米,退火氣氛-氮氣，退火溫度-1200攝氏度，退火時間-60分鐘。從透射電鏡圖可以看出碳鎳納米棒直徑20納米，長度200納米左右，為棒狀結構。
圖4為本發明的碳鎳納米棒薄膜樣品的可見光透射光譜。其中，鎳-碳層約20納米,退火氣氛-氮氣，退火溫度-1200攝氏度，退火時間-60分鐘。該圖所示為退火前後薄膜樣品的可見光波段透射譜，其中虛線和實線分別代表退火前的碳鎳雙層薄膜和退火後的碳鎳納米棒薄膜的透射譜，可以看出碳鎳納米棒薄膜可見光區透光性可達95%以上，是一種透光性較好的薄膜材料。
圖中標號：1-聚焦透鏡；2-雷射光束；3-靶材；4-襯底；5-雷射燒蝕產生的等離子體；6-旁抽閥；7-插板閥；8-電磁閥；9-分子泵；10-機械泵；11-樣品；12-石英管；13-加熱碳棒。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
一種碳鎳納米棒薄膜及其製備方法，具步驟為：
1.首先，在真空度約2´10-3pa的真空腔中，在清洗過的光滑石英襯底表面沉積一層5分鐘（10-30納米）的金屬ni作為催化層和前驅物，沉積過程採用脈衝雷射沉積方法；
2.其次，利用同樣的方法在沉積有ni的石英襯底上繼續沉積5分鐘的石墨粉末；
3.再次，將沉積有ni和石墨粉末的石英襯底移入管式退火爐中進行高溫退火，退火時間為5-60分鐘，退火溫度為1100-1250攝氏度；
其中，所述熱退火過程的退火氣氛優選為氮氣，退火時間優選為40-60分鐘，退火溫度優選為1200攝氏度，退火氣壓為1個標準大氣壓，退火氣體流量為1升/分鐘；
4.最後，將管式退火爐自然冷卻，待溫度降為室溫時取出樣品，得到nicx納米棒薄膜。
具體實施方式中採用的脈衝雷射沉積系統和熱退火裝置參見圖1（a）和（b）所示，脈衝雷射沉積系統由聚焦透鏡1、雷射光束2、靶材3、襯底4、雷射燒蝕產生的等離子體5以及由旁抽閥6、插板閥7、電磁閥8、分子泵9和機械泵10構成的抽真空裝置組成，退火裝置由樣品11、石英管12和加熱碳棒13組成。其中抽真空裝置可使沉積系統的真空度達到10-3帕斯卡量級，分子泵9需要在冷卻水作用下運行，雷射光束2需經過聚焦透鏡1進行聚焦才可使靶材3在高溫下產生等離子體5，等離子體可在真空腔中在襯底4處沉積形成薄膜；熱退火裝置通以氮氣作為保護氣體，樣品11置於石英管12中，通過加熱碳棒13將退火裝置溫度升高到所需溫度。
首先，在真空環境中，在經過清洗的石英襯底4上利用圖1（a）所示的脈衝雷射沉積裝置沉積一層鎳/碳雙層膜，此時襯底4不進行加熱，薄膜厚度約20納米。鎳的沉積有兩個作用，一是催化碳鎳納米棒的生長，二為碳鎳納米棒生長的前驅物，選用脈衝雷射沉積可得到一層緻密的薄膜，為納米棒的生長提供材料。
將石英襯底上沉積好鎳/碳雙層膜的樣品置於圖1（b）所示的熱退火裝置中，在氮氣的保護下對樣品進行熱退火處理，退火溫度優選為1200攝氏度，退火時間優選為60分鐘，至此可得碳鎳納米棒薄膜材料，該材料在400-800納米的可見光區具有90%以上的透過率。
參見圖2所示為本發明碳鎳納米棒薄膜表面形貌掃描電鏡圖，圖3為透射電鏡和選區電子衍射圖，圖4為本發明的可見光波段透射光譜。上述圖中，鎳-碳層約20納米,退火氣氛-氮氣，退火溫度-1200攝氏度，退火時間-60分鐘。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。