铁电纳米链的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有特定取向的铁电纳米链的制备方法。该方法按以下步骤进行：步骤1)制备容器，取耐高温材料制成的基片，在基片的边缘固定围壁，形成制备铁电纳米链的容器，所述围壁的燃烧/分解温度低于铁电材料的燃烧/分解温度；步骤2)制备铁电性液体，取铁电纳米微粒，将铁电纳米微粒与亲油性表面活性剂均匀混合，然后，将铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂的混合物加入硅油中，形成铁电性液体，将铁电性液体加入容器中；步骤3)制备铁电纳米链，对容器施加电场，得到沿着电场方向的铁电纳米链，施加电场的同时烘烤容器，烘干油性基液、亲油性表面活性剂之后煅烧容器，燃烧/分解掉容器的围壁后，即得到铁电纳米链。

权利要求

1.一种铁电纳米链的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：步骤1)制备容器

取耐高温材料制成的基片，在基片的边缘固定围壁，得到容器，所述围壁的燃烧/分解温度低于铁电材料的燃烧/分解温度；

步骤2)制备铁电性液体

取铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂、油性基液，并将三者均匀混合，得到铁电性液体，将铁电性液体加入容器中；

步骤3)制备铁电纳米链

对容器施加电场，得到沿着电场方向的铁电纳米链，施加电场的同时烘烤容器，烘干油性基液、亲油性表面活性剂之后煅烧容器，燃烧/分解掉容器的围壁后，得到铁电纳米链。

2.根据权利要求1所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述基片采用导电材料制成；或者，所述基片采用绝缘材料制成，然后在基片上制备下电极。

3.根据权利要求1所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述围壁的材料采用塑料。

4.根据权利要求1所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述围壁粘接固定在基片上。

5.根据权利要求1所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述油性基液为硅油、十二烷基苯、聚丁烯油中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述亲油性表面活性剂为油酸。

7.根据权利要求1所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，步骤2)中，铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂、油性基液的混合方法为：首先，将铁电纳米微粒与亲油性表面活性剂均匀混合，然后，将铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂的混合物加入油性基液中，然后，将铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂、油性基液的混合物装进密封瓶内，最后，将密封瓶放在摇床上进行摇动，使铁电纳米微粒均匀的分散到油性基液中。

8.根据权利要求1所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，步骤3)中，在围壁上涂覆导电材料，用于施加电场。

9.根据权利要求8所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，所述容器为长方体结构，所述导电材料涂覆于容器的两个对称侧壁上。

10.根据权利要求1所述的铁电纳米链的制备方法，其特征在于，步骤3)中，烘干油性基液、亲油性表面活性剂之后去掉电场，然后煅烧容器。

说明书

铁电纳米链的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铁电材料技术领域，特别是涉及一种铁电纳米链的制备方法。

背景技术

[0002] 能源危机是当前世界各国面临的重大难题，开发可再生能源是缓解该问题的有效途径。在众多可再生能源中，太阳能因其具有资源丰富、分布广泛、清洁干净等优点而备受青睐。光伏发电是开发太阳能的一种主要形式，其原理是利用光生伏特效应制成光伏电池，将太阳的光能转换成电能。光伏电池主要分为硅、铜铟硒、砷化镓、碲化镉以及聚合物光伏电池等。现有工业生产的薄膜太阳能电池存在转换效率低、稳定性差、生产成本比较高等缺点。要想改变以上缺点，可以通过提高薄膜的制备工艺和技术参数，或者提高光的利用效率。第一种方法面临研发周期长、成本高、技术困难等问题，因此，提高光的利用效率是提高转换效率的重要手段，显得十分必要。要想提高太阳光的利用率，可以通过提高薄膜对太阳光的吸收率，而增加薄膜的厚度可以做到这点。但是，薄膜厚度越厚，势必会降低太阳能电池的稳定性，同时也会增加光生载流子的复合率，降低转换效率。由于纳米线(纳米链)具有一系列薄膜所不具备的性质，例如其具有对光高的吸收率、低的复合率，此外在纳米线(纳米链)的一端具有较强的电场(类似于针尖附近的电场)，因此对光生载流子具有较高的搜集效率。因此制备出高质量的、具备特定的织构、较低的缺陷、较高的纯度(高的主相比例)的纳米线(纳米链)是提高太阳能电池光电转换效率的有效手段。因此，如何制备出具有特定织构、高纯度的太阳能电 池用的纳米线(纳米链)就显得十分必要。

[0003] 目前纳米线及其制备方法的不足之处：

[0004] 目前制备纳米线的方法主要包水热法，电化学法，溶胶-凝胶法，直接沉淀法，气相沉积法。不管哪种方法，都很难获得具有特定取向的纳米线，而且制备过程比较复杂。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有特定取向的铁电纳米链的制备方法。

[0006] 本发明的目的是这样实现的

[0007] 一种铁电纳米链的制备方法，该方法按以下步骤进行：

[0008] 步骤1)制备容器

[0009] 取耐高温材料制成的基片，在基片的边缘固定围壁，得到容器，所述围壁的燃烧/分解温度低于铁电材料的燃烧/分解温度；

[0010] 步骤2)制备铁电性液体

[0011] 取铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂、油性基液，并将三者均匀混合，得到铁电性液体，将铁电性液体加入容器中；

[0012] 步骤3)制备铁电纳米链

[0013] 对容器施加电场，得到沿着电场方向的铁电纳米链，施加电场的同时烘烤容器，烘干油性基液、亲油性表面活性剂之后煅烧容器，燃烧/分解掉容器的围壁后，得到铁电纳米链。

[0014] 为了便于测量铁电纳米链的电学性质，优选地，步骤1)中，所述基片采用导电材料制成；或者，所述基片采用绝缘材料制成，然后在基片上制备下 电极。

[0015] 为了在较低的温度下燃烧掉围壁，优选地，步骤1)中，所述围壁的材料采用塑料。

[0016] 为了便利地将围壁固定在基片上，优选地，步骤1)中，所述围壁粘接固定在基片上。

[0017] 为了保证基液在烘烤时不会燃烧，优选地，步骤2)中，所述油性基液为硅油、十二烷基苯、聚丁烯油中的至少一种。

[0018] 为了保证表面活性剂的亲油性能，优选地，步骤2)中，所述亲油性表面活性剂为油酸。

[0019] 为了将铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂、油性基液均匀混合，优选地，步骤2)中，铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂、油性基液的混合方法为：首先，将铁电纳米微粒与亲油性表面活性剂均匀混合，然后，将铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂的混合物加入油性基液中，然后，将铁电纳米微粒、亲油性表面活性剂、油性基液的混合物装进密封瓶内，最后，将密封瓶放在摇床上进行摇动，使铁电纳米微粒均匀的分散到油性基液中。

[0020] 为了方便对容器施加电场，优选地，步骤3)中，在围壁上涂覆导电材料，用于施加电场。

[0021] 为了保证电场的均匀程度，优选地，所述容器为长方体结构，所述导电材料涂覆于容器的两个对称侧壁上。

[0022] 为了方便烧蚀掉围壁，优选地，步骤3)中，烘干油性基液、亲油性表面活性剂之后去掉电场，然后煅烧容器。

[0023] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

[0024] 1、制备方法简单，只需要将具有铁电性的微粒分散在一定的基液里面，形成铁电性液体。对铁电性液体施加电场使得铁电微粒形成链状。

[0025] 2、在电场作用下，具有铁电性的微粒能够发生转动，而且由于在液体中，所以其矫顽电场会比较小，由于布朗运动，在电场下的转向更容易。在固体中需要施加相对较大的电场才能让改变极化方向，电场太大容易造成样品被击穿。

[0026] 3、在电场作用下，固态铁电材料中电畴的取向只能沿着接近于电场方向的某些取向，并不一定沿着电场方向，而对于铁电性液体而言，由于铁电微粒可以在液体中自由转动，因此其电畴的取向可以完全沿着电场方向。

[0027] 4、通过改变电场的大小、方向、梯度大小，就可以很容易的调控铁电纳米链的长短粗细。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例步骤1)第2步的示意图；

[0029] 图2为本发明实施例步骤2)第2步的示意图；

[0030] 图3为本发明实施例步骤3)第1步的示意图；

[0031] 图4为本发明实施例步骤3)第2步的示意图；

[0032] 图5为BLFO粉末的XRD图谱；

[0033] 图6为BLFO粉末的透射电镜图；

[0034] 图7为BLFO铁电纳米链的扫描电镜图。

[0035] 附图中，1为下电极，2为围壁，3为铁电纳米微粒，4为基液，5为铁电纳米链，6为导电材料。

具体实施方式

[0036] 实施例

[0037] 步骤1)制备容器

[0038] 第1步：电极的制备：

[0039] 制备下电极，只是为了测量铁电纳米链的电学性质，如果仅仅是制备出纳米链的话，可以不用电极。又或者，不用制备下电极，导电的基片也可以起下电极的作用。

[0040] 以脉冲激光沉积法为例，也可以是其它方法，例如磁控溅射、溶胶-凝胶法等。以La0.7Sr0.3MnO3作为下电极为例，也可以采用其它材料，例如导电氧化物ITO,La0.5Sr0.5CoO3等或者金属，Au，Pt，Ag等。首先在SrTiO3基片(当然也可以是其它类型的基片，硅片、玻璃等)分别在丙酮、酒精中用超声波进行清洗，晾干；用砂纸将基片台进行打磨，并清洗干净，将晾干的基片用导热银胶粘在基片台上，然后根据所需要电极的形状、大小、个数用相应的掩膜版挡住基片。晾干后放入腔体中加热台上，开始抽真空。待气压抽到10-4Pa时，开始加热基片台。注意应缓慢加热，一般加热到700℃需要90分钟左右。达到目标温度后，用挡板将基片挡住，并通入所需气体到一定压强。设定激光的能量和频率参数，进行预溅射以去掉La0.7Sr0.3MnO3薄膜(这里以La0.7Sr0.3MnO3：简写为LSMO为例作为测量光伏效应的下电极，也可以选择其他导电薄膜)表面的污物，使薄膜露出新鲜的表面，预溅射时间一般为2～5分钟；预溅射过程中，调整激光光路、靶距等参数，以使羽辉末端与基片台相切。转动基片台及薄膜，并使激光在X、Y方向来回扫描；待温度、气压稳定之后，移开挡板，进行沉积。根据所需的薄膜厚度选择合适的沉积时间，沉积结束之后，按照需要充入一定的气体并缓慢降温。

[0041] 第2步：容器的制备。如图1所示，将制备好电极的基片通过AB胶、502胶水等，从四周用有机物薄片(或者其它材料做的薄膜，此材料必须分解温度较低，低于铁电材料，最好控制在500度以下)作为围壁，粘成薄片状的容器，即容器的长和宽都远大于厚(高度)。如果容器太厚的话，容器的体积就会比较大，其中装的铁电性液体就会比较多，最后得到的铁电纳米链的厚度就比较厚。铁电材料的厚度越厚，光不能完全穿透，得到的光生载流子就比较少。另外，铁电层太厚的话，光生载流子复合的就越多，所得到的光生电流就很小。例如长和宽都为1cm，厚度为1mm。容器也可以通过其它方法加工。

[0042] 步骤2)制备铁电性液体

[0043] 第1步：铁电性液体的制备。以制备Bi0.9La0.1FeO3(BLFO)铁电性液体为例。也可以是其它具有铁电性的微粒，例如钛酸铅、铁酸铋等。首先是制备铁电性BLFO纳米微粒：制备纳米微粒的方法很多，比如溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、固相反应法等。我们以溶胶-凝胶法制备具有铁电性的BLFO微粒为例：

[0044] 量取60ml乙二醇甲醚溶液作为溶剂。分别称取化学计量比的硝酸铋14.6991g、硝酸铁12.3045g、硝酸镧1.3122g作为溶质。室温下搅拌35～50min,溶质完全溶解后，滴加2ml乙酸酐脱去结晶水，待溶液冷却后，添加6.3414g柠檬酸，剧烈搅拌30min，完全溶解后，添加30滴乙醇胺至溶液pH为2～3，搅拌1h后将溶液转移到100ml容量瓶中，用乙二醇甲醚定容，静置48h得到稳定溶胶待用。其中，硝酸铋过量10％，补偿退火过程中由于铋挥发造成的损失。然后将上述溶胶放入烧杯，在加热台上加热烘烤在，直到把溶液烤干。然后将干的凝胶粉放入清洗干净的坩埚内并置于马弗炉中，在550℃第一 次预烧2h，初步成相。所得产物经充分研磨后在600℃煅烧5h，使原料完全反应。再进行第三次充分研磨，得到BLFO纳米微粒。

[0045] 然后是制备BLFO铁电性液体：将一定质量的BLFO纳米微粒均匀的分散在一定浓度的硅油中。硅油具有耐高低温、化学稳定性好、蒸气压低、黏度受温度影响小等特点,是铁电性液体的理想载液。但是,硅油憎水、憎油的特性使得将铁电性BLFO微粒均匀分散于其中的表面活性剂必须具有亲油性能,且能包覆磁性微粒,否则易出现团聚、沉降等现象。使用油酸作为表面活性剂。

[0046] 具体为：根据要求，例如需要配置体积分数为5％，体积为100ml的BLFO铁电性液体，那么，所需BLFO微粒体积为5ml，其密度约为6g/cm3，则需要BLFO的质量为30g；油酸的浓度为2％，则需要量取2ml的油酸；硅油的体积为100-5-2＝93ml；因此，

[0047] 首先，称量30g的BLFO纳米微粒(体积约5cm3)，加入2ml的油酸中，进行摇动，然后均匀的分散在93ml硅油中，放进密封好的玻璃瓶或者其它容器内，在摇床上进行摇动约1个小时。然后就得到体积分数为5％，体积为100ml的BLFO铁电性液体。

[0048] 第2步：将上一步中得到的BLFO铁电性液体用注射器或者其它方法注入到容器中，就得到图2中的铁电性液体。

[0049] 步骤3)制备铁电纳米链

[0050] 第1步：纳米链的形成：在薄膜外表面涂上导电材料，例如银胶。对步骤2)第2步中得到的铁电性液体施加电场，沿着电场方向就得到铁电性纳米链。例如沿水平方向施加电场，就得到图3所示水平方向的铁电纳米链。

[0051] 注：如果容器左右两侧的距离太大，那么需要施加的电压就越大。如果 距离为1cm，则需要施加的电压约为10kV。电压越小，形成的链就越不整齐。

[0052] 第2步：将图3中得到链状结构的容器先在加热台上烘烤(同时施加电压)，烤干之后去掉电压，放入高温(500-800℃)进行煅烧，目的是将左右两侧的物质燃烧、分解掉。最后就得到图4中的铁电纳米链。

[0053] 对所制备的铁电纳米链进行检测，结果如下：

[0054] 从图5中可知，我们所制备的BLFO粉末为纯相，没有杂相产生。从图6中可知，我们所制备的BLFO粉末基本为球形，平均粒径大概为15nm。从图7中可知，我们所制备的BLFO纳米链具有一定的取向，链的长度约为10μm，链的直径约为0.5μm。

[0055] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。