粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米SiO2薄膜

摘 要：多孔SiO2薄膜具有許多優(yōu)良性質(zhì)，應(yīng)用前景廣泛。文章以無(wú)水乙醇、正硅酸乙酯、去離子水配制膠體為基礎(chǔ)，添加納米二氧化硅粉體起增強(qiáng)膠體強(qiáng)度和薄膜中SiO2含量，添加硅酸鈉提高膠體與粉體結(jié)合，成功制備了多孔納米SiO2薄膜。X-射線衍射證實(shí)所制備的薄膜為無(wú)定形，其中SiO2晶粒粒徑大小約為13nm。顯微觀察證實(shí)制備的薄膜完整均勻，沒有開裂破壞；孔洞分布均勻，大部分孔洞尺寸約為3-5μm，少部分的孔洞尺寸不到2μm。

關(guān)鍵詞：溶膠凝膠；SiO2；薄膜，納米；多孔

引言

SiO2薄膜具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、穩(wěn)定性好、光透過率高、抗侵蝕能力強(qiáng)以及良好的介電性質(zhì)，在在半導(dǎo)體、微波、光電子、光學(xué)器件以及薄膜傳感器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景[1-3]。SiO2薄膜可以通過化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、熱氧化法、溶膠凝膠法、液相沉積法等方法制備。其中溶膠凝膠法簡(jiǎn)單易行，可在較低溫度下制備高純度、高均勻性的多孔薄膜[3]。但目前所報(bào)道的單一采用溶膠凝膠的方法由于高溫中揮發(fā)量大、收縮大，容易使薄膜破損且孔隙較大[4-7]。

文章嘗試在現(xiàn)有溶膠凝膠法制備SiO2薄膜的工藝基礎(chǔ)上，在溶膠中添加納米二氧化硅粉體和硅酸鈉，以期降低溶膠高溫收縮、提高SiO2的含量、強(qiáng)度和結(jié)合。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與過程

實(shí)驗(yàn)所用原料包括硅酸鈉（郴州三城化工有限公司）、無(wú)水乙醇（西安三浦化學(xué)試劑有限公司，分析純）、正硅酸乙酯（南京化學(xué)試劑股份有限公司）、氨水（廣東光華科技股份有限公司）、納米二氧化硅粉體（德固賽 AEROSIL 200，平均粒徑12nm）、去離子水等。

在燒杯中按一下配比加入：100g去離子水中加入100g無(wú)水乙醇，并在溫控磁力攪拌機(jī)上60°C攪拌，然后加入25g納米二氧化硅粉體、30g正硅酸乙酯和5g硅酸鈉，待納米二氧化硅粉體和硅酸鈉完全融入變?yōu)橥该饕后w后緩慢滴加氨水，直至混合液體變?yōu)檎吵砟z狀。密封燒杯并60°C繼續(xù)攪拌24h，之后靜止2h即得到所需的溶膠。

將載玻片在無(wú)水乙醇中超聲清洗干凈并在60°C烘干，然后將制好的溶膠均勻涂敷在載玻片上，其厚度約為0.5-1mm。然后將涂敷好的試樣在濕熱空氣中緩慢加熱到110°C保溫30min，之后以10°C/min加熱到450°C處理20min。

1.2 樣品測(cè)試

采用德國(guó)BRUKER，AXS公司的D8 ADVANCE A25 X-射線衍射儀對(duì)制備的樣品進(jìn)行物相分析。實(shí)驗(yàn)中加速電壓為40kV，電流為40mA，衍射掃描角度范圍2？茲=10-70°，步長(zhǎng)0.02°，掃描速度0.01°/s，暴露時(shí)間2s。采用ZEISS Axio Scope A1研究級(jí)正置材料顯微鏡（Light Microscopes for Materials Research）觀測(cè)薄膜的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

圖1給出了本實(shí)驗(yàn)所用的方法制備的樣品在熱處理后的X-射線衍射圖譜?？梢钥吹?，樣品衍射圖譜中能夠觀測(cè)到明顯的SiO2的衍射峰，特別是在22.6°附近有明顯的衍射非晶包，表明所制備的薄膜為無(wú)定形。同時(shí)，根據(jù)衍射圖譜分析計(jì)算得出此時(shí)得到的SiO2晶粒粒徑大小約為13nm。但衍射圖譜看樣品中檢測(cè)不到Na2SiO4衍射峰。由于文章所用的填充粉體為平均粒徑為9nm的SiO2粉；溶膠凝膠過程本身無(wú)微米級(jí)的顆粒，而且后續(xù)熱處理為450°C處理20min，在這樣的處理下溶膠凝膠產(chǎn)生的SiO2顆粒往往也是納米級(jí)的[8，9]。因此，文章所制備的樣品是納米級(jí)的，衍射圖譜出現(xiàn)明顯的非晶包。在水中，一方面硅酸鈉會(huì)發(fā)生溶解形成水玻璃，增強(qiáng)粉體和膠粒之間的粘結(jié)；另一方面，由于本工作原料中Na2SiO4含量較少（重量占溶膠的1.92%），而且硅酸鈉會(huì)水解產(chǎn)生SiO2和NaOH，使溶液呈堿性。因此，硅酸鈉可以發(fā)揮粘結(jié)作用和部分轉(zhuǎn)化為SiO2，并且衍射分析檢測(cè)不到Na2SiO4衍射峰。

圖2給出了本實(shí)驗(yàn)所用的方法制備的樣品數(shù)字光學(xué)顯微照片。從圖2中可以看出文章所制備的薄膜完整均勻，沒有開裂破壞。從圖2（a）低倍（50X）放大照片中可以看出，薄膜中均勻的分布大量微小的孔洞。從圖2（b）較高倍（500X）放大照片中可以看出，明亮部分對(duì)應(yīng)的SiO2非常密實(shí)，而其中的大部分孔洞尺寸約為3-5μm，少部分的孔洞尺寸不到2μm。溶膠在加熱過程中，其中的水分和乙醇等會(huì)揮發(fā)，致使凝膠中產(chǎn)生大量的孔洞；但同時(shí)也往往會(huì)因?yàn)閾]發(fā)過快，導(dǎo)致薄膜開裂損壞[7]。硅酸鈉的水溶液，即水玻璃具有非常良好的粘結(jié)性能，可以非常有效改善膠粒之間的結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)文章添加的大量納米SiO2粉體，會(huì)填充到膠體骨架中，起到一定的增強(qiáng)作用，阻礙膠體的收縮破壞；另一方面，文章所用原料配比中揮發(fā)組成較多，保溫時(shí)間也比較長(zhǎng)，利于產(chǎn)生大量的較大尺寸的孔洞。因此，文章制備的多孔薄膜完整均勻。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章以無(wú)水乙醇、正硅酸乙酯、去離子水配制膠體為基礎(chǔ)，添加納米二氧化硅粉體起增強(qiáng)膠體強(qiáng)度和薄膜中SiO2含量，添加硅酸鈉提高膠體與粉體結(jié)合，成功制備了多孔納米SiO2薄膜。

X-射線衍射證實(shí)所制備的薄膜為無(wú)定形，其中SiO2晶粒粒徑大小約為13nm。

顯微觀察證實(shí)制備的薄膜完整均勻，沒有開裂破壞；孔洞分布均勻，大部分孔洞尺寸約為3-5μm，少部分的孔洞尺寸不到2μm。

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