技术领域
[0001] 本
发明涉及一种V2O5薄膜的
电泳沉积制备方法，属于功能薄膜制备及性能技术领域。
背景技术
[0002] V2O5具有稳定的结构，是一种重要的过渡金属
氧化物，具有良好的层状结构，层间只存在较弱的相互作用。近年来，伴随着功能材料研究的热潮以及
纳米技术的发展，V2O5的研究的取得了长足的发展和进步，不同形态结构的V2O5表现出独特的
电子、离子和物理化学性能，且不同的实验方法以及不同的衬底上制备的V2O5薄膜，其电学、光学性质存在显著的差异，因此，在锂离子二次
电池正极材料、智能窗、热
辐射检测材料、
传感器、
电致变色显示材料、滤色片以及光学记忆材料等方面引起了研究者的极大兴趣，在电学、磁学和光学领域有着广泛的应用前景。
[0003] 制备V2O5薄膜的方法有：
真空蒸发镀膜法、
溅射法、
脉冲激光沉积法（PLD）、
化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶法（Sol-Gel）、电泳沉积法等。溶胶-凝胶法是以无机盐或金属醇盐为前驱物，发生
水解、聚合反应制备溶胶，进一步经水解缩聚过程使胶体颗粒长大逐渐凝胶化，再对凝胶进行干燥，在空气或保护气体中进行
热处理，去除有机成分而得到所需的薄膜材料。这种方法采用低温化学手段，能够在相当小的尺寸范围内剪裁和控制材料的显微结构，使其均匀性达到亚微米级、
纳米级甚至分子级水平，所有其产物具有均匀性好、纯度高、颗粒细等优点。利用不同的
钒源，通过此种方法可以获得由带状
纳米粒子组成的V2O5·nH2O凝胶薄膜，制膜的方法有提拉法、
旋涂法、
喷涂法和刷涂法等，最常用的是提拉法和旋涂法。但这种方法也存在缺点和不足：（1）前驱物不稳定，易水解；（2）溶胶与基片的相互作用，影响薄膜的粘附性；（3）薄膜后处理过程中，因为
溶剂挥发和收缩率较大，使薄膜收缩不均匀而发生开裂脱落现象等。
发明内容
[0004] 本发明目的是为了解决
现有技术中V2O5薄膜的制备工艺复杂、V2O5薄膜不稳定的问题，通过对V2O5进行电泳沉积，在基片上获得均匀、致密的V2O5薄膜，同时，提高V2O5薄膜的可控性，从而，提供一种不需要
表面活性剂和催化剂、无需高温高压的V2O5薄膜制备方法。
[0005] 本发明V2O5薄膜的制备方法按以下步骤进行：
[0006] （1）以分析纯V2O5为原料，H2O2为反应溶剂，按照一定比例配置溶液，然后在始终将
温度保持在-2～+1ºC的条件下，采用
电磁搅拌和
超声波搅拌结合的搅拌工艺，制备V2O5溶胶溶液；
[0007] （2）将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为
阴极，
石墨片为
阳极，在0～5℃的条件下，加载直流
电压5～40V，沉积时间为1～6分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；
[0008] （3）将步骤（2）中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥12～24小时，然后，将其放入
电阻炉中进行热处理后，在基片上获得层状的V2O5薄膜。
[0009] 所述H2O2的浓度为20～40wt%。
[0010] 所述步骤（1）中是按照V2O5：H2O2=0.6g～1.5g:30mL～90mL的比例配置的溶液。
[0011] 所述步骤（1）采用电磁搅拌在1～5转/秒的搅拌速率下，向H2O2溶剂的中每20～40秒加入0.05～0.1克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液
颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌10～30分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在
超声波清洗器上，采用20～100KHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在-2～+1 ºC，促进晶粒细化，使溶液混合更加均匀，搅拌10～30分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在-2～+1ºC条件下以备后用。
[0012] 所述步骤（2）中采用的基片为ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为1～10wt%
盐酸中浸泡0~5分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水
乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。
[0013] 所述步骤（2）中
电极尺寸（阳极或阴极）为20～30mm×30～40mm，电极间距离为10～40mm。
[0014] 所述步骤（3）中ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在5ºC~30ºC/min，将温度升至100～500℃，保温60～240min，然后随炉冷却。
[0015] 本发明的优点和积极效果：
[0016] 1、本发明用于制备V2O5薄膜，无需高温高压，在
冰点附近进行，使得工艺简单；
[0017] 2、本发明方法不需要表面活性剂和催化剂，对环境没有污染；
[0018] 3、用本发明提供的方法制备的V2O5薄膜，结构致密均匀，厚度为0.1～0.8µm，无裂纹等，性能稳定。
附图说明
[0019] 图1本发明的电泳装置示意图。
[0020] 图2 本发明ITO导电玻璃衬底上15V电压沉积V2O5薄膜经300℃热处理的20000倍的形貌图。
[0021] 图3 本发明ITO导电玻璃衬底上15V电压沉积V2O5薄膜经300℃热处理的后的XRD衍射图。
[0022] 图4 本发明ITO导电玻璃衬底上15V电压沉积V2O5薄膜经500℃热处理的30000倍的形貌图。
[0023] 图5 本发明ITO导电玻璃衬底上15V电压沉积V2O5薄膜经500℃热处理的后的XRD衍射图
[0024] 图6 本发明沉积电压为15V时制备的V2O5薄膜经不同温度热处理后的透射谱。
[0025] 图7 本发明不同沉积电压制备的V2O5薄膜经400℃热处理后的透射谱。
具体实施方式
[0027] （1）以分析纯V2O5为原料，浓度为25wt%的H2O2为反应溶剂，按照V2O5：H2O2=1g:50mL的比例配置的溶液，然后在始终将温度保持在-2ºC的条件下，采用电磁搅拌在3转/秒的搅拌速率下，向H2O2溶剂的中每20秒加入0.05克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌
10分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用80KHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在-2 ºC，促进晶粒细化，使溶液混合更加均匀，搅拌10分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在-2ºC条件下以备后用；
[0028] （2）将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，电极尺寸（阳极或阴极）为26mm×40mm，电极间距离为20mm，在0℃的条件下，加载直流电压15V，沉积时间为2分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；采用的基片为ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为1wt%盐酸中浸泡5分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。
[0029] （3）将步骤（2）中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥12小时，将ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在10ºC/min，将温度升至300℃，保温60min，然后随炉冷却，在基片上获得层状的V2O5薄膜，结构致密均匀，厚度为0.1～0.8µm，无裂纹等，性能稳定。图2为获得的V2O5薄膜表面形貌，图3为其XRD衍射图。
[0030] 实施例2：
[0031] （1）以分析纯V2O5为原料，浓度为20wt%的H2O2为反应溶剂，按照V2O5：H2O2=0.6g:30mL的比例配置的溶液，然后在始终将温度保持在0ºC的条件下，采用电磁搅拌在1转/秒的搅拌速率下，向H2O2溶剂的中每30秒加入0.1克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌
20分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用20KHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在0ºC，促进晶粒细化，使溶液混合更加均匀，搅拌15分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在0ºC条件下以备后用；
[0032] （2）将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，电极尺寸（阳极或阴极）为20mm×35mm，电极间距离为10mm，在2℃的条件下，加载直流电压15V，沉积时间为6分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；采用的基片为ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为2wt%盐酸中浸泡4分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。
[0033] （3）将步骤（2）中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥18小时，将ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在5ºC/min，将温度升至500℃，保温100min，然后随炉冷却，在基片上获得层状的V2O5薄膜，结构致密均匀，厚度为0.1～0.8µm，无裂纹等，性能稳定。图4为获得的V2O5薄膜表面形貌，图5为其XRD衍射图:，图6为其透射谱。
[0034] 实施例3：
[0035] （1）以分析纯V2O5为原料，浓度为40wt%的H2O2为反应溶剂，按照V2O5：H2O2=1.5g:90mL的比例配置的溶液，然后在始终将温度保持在1ºC的条件下，采用电磁搅拌在5转/秒的搅拌速率下，向H2O2溶剂的中每40秒加入0.08克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌
30分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用100KHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在1ºC，促进晶粒细化，使溶液混合更加均匀，搅拌30分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在1ºC条件下以备后用；
[0036] （2）将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，电极尺寸（阳极或阴极）为30mm×30mm，电极间距离为40mm，在5℃的条件下，加载直流电压20V，沉积时间为1分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；采用的基片为ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为10wt%盐酸中浸泡1分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。
[0037] （3）将步骤（2）中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥24小时，将ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在30ºC/min，将温度升至400℃，保温240min，然后随炉冷却，在基片上获得层状的V2O5薄膜，结构致密均匀，厚度为0.1～0.8µm，无裂纹等，性能稳定。如图7所示透射谱。
[0038] 实施例4：
[0039] （1）以分析纯V2O5为原料，浓度为30wt%的H2O2为反应溶剂，按照V2O5：H2O2=0.8g:80mL的比例配置的溶液，然后在始终将温度保持在1ºC的条件下，采用电磁搅拌在4转/秒的搅拌速率下，向H2O2溶剂的中每40秒加入0.08克的V2O5粉末，溶液即呈浅黄色，随着V2O5粉末的加入，同时不断搅拌，溶液颜色逐渐变深直至呈红褐色溶液时，再搅拌
15分钟后得到无沉淀的透明溶液；然后放在超声波清洗器上，采用90KHz的超声波继续搅拌，超声波清洗器内保持温度在1ºC，促进晶粒细化，使溶液混合更加均匀，搅拌18分钟后，经过滤后即得前驱物溶液，将所制备前驱物溶液密封保存在1ºC条件下以备后用；
[0040] （2）将制备好的V2O5溶胶放入电泳装置中(如图1所示)，以经过预处理的基片作为阴极，石墨片为阳极，电极尺寸（阳极或阴极）为22mm×32mm，电极间距离为30mm，在4℃的条件下，加载直流电压25V，沉积时间为4分钟，在基片上得到沉积的V2O5薄膜；采用的基片为ITO导电玻璃，ITO导电玻璃先在浓度为8wt%盐酸中浸泡3分钟，然后采用蒸馏水冲洗，再经去离子水清洗，最后在无水乙醇中进行超声波清洗，清洗后的基片使用前均保存在乙醇溶液中。
[0041] （3）将步骤（2）中得到的沉积后的V2O5薄膜在自然条件下干燥20小时，将ITO导电玻璃和衬底上的一同薄膜放入箱式电阻炉中进行热处理，升温速率控制在18ºC/min，将温度升至400℃，保温240min，然后随炉冷却，在基片上获得层状的V2O5薄膜，结构致密均匀，厚度为0.1～0.8µm，无裂纹等，性能稳定。如图7所示透射谱。
[0042] 实施例5：与实施例4的制备步骤相同，其中加载直流电压为15 V，最终得到层状的V2O5薄膜，结构致密均匀，厚度为0.1～0.8µm，无裂纹等，性能稳定。如图7所示透射谱。
[0043] 实施例6：与实施例2的制备步骤相同，其中加载电压为5V，热处理温度升至100℃，结构致密均匀，厚度为0.1～0.8µm，无裂纹等，性能稳定，最终得到层状的V2O5薄膜。
[0044] 实施例7：与实施例1制备步骤相同，其中加载电压为40V，热处理温度升至100℃，结构致密均匀，厚度为0.1～0.8µm，无裂纹等，性能稳定，最终得到层状的V2O5薄膜。
