專利名稱：碲化鉛薄膜和納米粉體的同步制備方法
技術領域：
本發明屬于材料領域，涉及一種碲化鉛薄膜和納米粉體的同步制備方法。
背景技術：
碲化鉛(PbTe)具有非常優良的熱電特性、光電特性和紅外光學特性，廣泛應用于熱電 器件、紅外光學元件、紅外薄膜器件和半導體探測器等。在薄膜方面，PbTe材料是IV-VI族 窄禁帶半導體中唯一的離子鍵化合物，在紅外譜段的折射率高達5.5，在目前能實際使用的紅 外鍍膜材料中是最高的，可以有效減少紅外光學薄膜器件的膜層數，降低應力，提高透射率。 同時，PbTe與ZnS、 ZnSe等低折射率材料膜層有良好的應力配合，可使膜層的牢固度好，光 學性質穩定。PbTe薄膜通常釆用真空蒸鍍、激光閃蒸、磁控濺射等物理方法制備，這些方法 采用昂貴的鍍膜設備，成本較高；電化學方法沉積PbTe薄膜成本相對較低，但缺點在于必須 使用導電基片，適用范圍較窄。
另外，當材料晶粒尺寸達到納米尺度后，會產生量子尺寸效應，引起材料性能突變，因 此，PbTe的納米結構受到廣泛的重視。目前，PbTe納米顆粒大多采用水熱法或溶劑熱法、電 化學法、乳液法等方法合成，這些方法在合成過程中或者涉及了高壓設備，或者采用了復雜 的儀器和涉及冗長的工藝，或者由于引入大量有機物給后處理及環境保護帶來難題。總之， 這些方法條件相對苛刻，或者產量少，成本高，不利于工業化生產。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明要解決的問題是提供一種環保的、簡便可行的方法，同步 合成碲化鉛薄膜和納米粉體。該方法以堿性水溶液作為溶劑，以成本低廉的含鉛無機鹽和碲 化物或亞碲酸鹽作為反應物，在常壓、室溫至50。C同步合成PbTe薄膜和納米顆粒。
本發明涉及一種碲化鉛納米粉體和薄膜的制備方法，該方法由配料、恒溫反應、洗滌和 干燥四個步驟組成，其特征是，所述的配料是指將含鉛的無機物和含碲的化合物按照原子比 Pb:Te=l:l的比例加入盛有去離子水的燒杯中，再加入適量堿和絡合劑，攪拌使其充分溶解， 然后加入適量硼氫化鉀或硼氫化鈉，充分溶解后停止攪拌，放入基片(傾斜與燒杯底成20-70° 角)用于沉積薄膜；所述恒溫反應是將反應體系放入室溫至5(fC的恒溫水浴中，保溫12小 時以上；所述洗滌是指在反應達到設定時間后用去離子水和無水乙醇沖洗薄膜，并將沉淀在 燒杯底部的產物反復洗滌直到pH為7;所述干燥是指將薄膜自然風干，將所得粉末在真空環 境下烘干。
其中，含鉛的無機鹽優選是氯化物、硝酸鹽、醋酸鹽之一，含碲的化合物優選是二氧化 碲或亞碲酸鈉。
上述PbTe薄膜和納米粉體的制備方法中，所加的堿為氫氧化鈉、氣氧化鉀、氫氧化銣之
3PbTe薄膜和納米粉體的制備方法中所用的絡合劑優選為檸檬酸鈉、草酸鈉、氮三乙酸、 乙二胺四乙酸等。
薄膜可在多種基片上沉積，如玻璃、氧化鋁、金屬、硅片和聚合物等。
上述PbTe薄膜和納米粉體的制備方法中，保溫設備為能控溫的水浴鍋或油浴鍋。
上述PbTe薄膜和納米粉體的制備方法中，洗滌薄膜是用去離子水和無水乙醇沖洗；洗滌 納米粉體是用冷或熱的去離子水，采用離心機沉淀或抽濾設備進行過濾，過濾產物重新在去 離子水中分散，反復過濾直到濾液pH值為7，最后用無水乙醇洗滌以方便干燥。離心沉降轉 速為2000-4000轉/分鐘。
上述PbTe薄膜和納米粉體的制備方法中，薄膜采用自然風干，而粉體的烘干是在真空干 燥箱中進行，真空度〈133Pa，溫度為70。C，時間12小時。
本發明原料便宜易得，工藝簡單，反應過程中不使用有機溶劑，有利于環保，容易實現 規模化生產。所得產物可廣泛應用于熱電器件、太陽能電池、熒光器件、紅外光學元件、紅 外薄膜器件和半導體探測器等。
圖1為采用本發明室溫合成碲化鉛納米顆粒(a)和薄膜(b)的X-射線衍射圖譜以及(c)
PbTe標準圖譜(JCPDS card file, No. 077-0246)。 圖2為采用本發明室溫合成碲化鉛納米顆粒的透射電鏡圖片。 圖3a為采用本發明室溫合成碲化鉛薄膜的場發射掃描電鏡圖片(低倍)。 圖3b為采用本發明室溫合成碲化鉛薄膜的場發射掃描電鏡圖片(高倍)。 圖3c為采用本發明室溫合成碲化鉛薄膜的場發射掃描電鏡圖片(側面)。
具體實施例 實例1
室溫同步合成碲化鉛薄膜和納米顆粒 1配料
(1) 在燒杯中加入100ml去離子水，放入攪拌磁子攪拌。
(2) 稱取0.379g三水合醋酸鉛和0.159g二氧化碲加入燒杯中。
(3) 稱取1.4gKOH加入燒杯中，持續攪拌直到溶液變為透明澄清。
(4) 稱取0.294g檸檬酸鈉加入燒杯中。
(5) 稱取0.5gKBH4緩慢加入燒杯中，加入過程中持續攪拌。
(6) 待所加全部KBH4溶解后，取出攪拌磁子，加入去離子水至200ml。
(7) 放入玻璃基片，傾斜與燒杯底成30。角。 2恒溫反應
用保鮮膜封住燒杯口防止灰塵進入，室溫下靜置12小時。 3洗滌
將所得薄膜用去離子水和無水乙醇沖洗。
將所得沉淀物去離子水洗滌后采用離心分離，離心沉淀物重新在去離子水中分散，再次 離心分離直到濾液pH值為7，最后用無水乙醇洗滌。離心沉降轉速為3000轉/分鐘。 4干燥將洗滌后的薄膜自然風干。
將過濾得到的粉末放在70°C真空烘箱中干燥，得到碲化鉛納米粉體。
x-射線衍射結果(圖i)表明實驗所得薄膜和粉末產物均為立方碲化鉛，^i射電子顯微鏡
觀察(圖2)表明粉末為粒徑20nm左右的納米顆粒。場發射掃描電鏡觀察(圖3)表明制備 薄膜致密、均勻，膜厚約lpm。
實例2
50°C水浴同步合成碲化鉛薄膜和納米顆粒 1配料
(1) 在燒杯中加入100ml去離子水，放入攪拌磁子攪拌。
(2) 稱取0.379g三水合醋酸鉛和0.159g 二氧化碲加入燒杯中。
(3) 稱取1.4gKOH加入燒杯中，持續攪拌直到溶液變為透明澄清。
(4) 稱取0.292g乙二胺四乙酸加入燒杯中。
(5) 稱取0.5g KBH4緩慢加入燒杯中，加入過程中持續攪拌。
(6) 待所加全部KBH4溶解后，取出攪拌磁子，加入去離子水至200ml。
(7) 放入玻璃基片，傾斜與燒杯底成30°角。 2恒溫反應
用保鮮膜封住燒杯口防止灰塵進入，放入50°C恒溫水浴靜置12小時。 3洗滌
將所得薄膜用去離子水和無水乙醇沖洗。
將所得沉淀物去離子水洗滌后采用離心分離，離心沉淀物重新在去離子水中分散，再次 離心分離直到濾液pH值為7，最后用無水乙醇洗滌。離心沉降轉速為3000轉/分鐘。 4干燥
將洗滌后的薄膜自然風干。
將過濾得到的粉末放在70°C真空烘箱中干燥，得到碲化鉛納米粉體。
上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉 本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應 用到其它實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技 術人員根據本發明的揭示，對于本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種碲化鉛薄膜和納米粉體的同步制備方法，包括配料、恒溫反應、洗滌和干燥四個步驟，其特征在于所述的配料是將含鉛的無機物和含碲的化合物按照原子比Pb∶Te＝1∶1的比例加入盛有溶劑的燒杯中，再加入堿和絡合劑，攪拌使其充分溶解，然后加入稍過量硼氫化鉀或硼氫化鈉，充分溶解后停止攪拌，放入基片用于沉積薄膜。
2、 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于所述恒溫反應是將反應體系放入室溫至50°C的恒溫水浴中，保溫12小時以上；所述洗滌是指在反應達到設定時間后用溶劑和無水乙醇沖洗薄膜，并將沉淀在燒杯底部的產物反復洗滌直到pH為7;所述干燥是指將薄膜自然風干，將所得粉末在真空環境下烘干。
3、 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于所述含鉛的無機鹽是氯化物、硝酸鹽、醋酸鹽之一，含碲的化合物為二氧化碲或亞碲酸鹽。
4、 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于所述的溶劑為去 離子水；所述堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銣之一；所述絡合劑為檸檬酸鈉、草酸鈉、氮 三乙酸、乙二胺四乙酸之一。
5、 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于所述保溫設備為能控溫的水浴鍋或油浴鍋，在室溫至50°C條件下合成薄膜和納米粉體。
6、 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于所述基片大小與 所用燒杯匹配，傾斜放入燒杯，與燒杯底成20-70°角(可根據基片大小與溶劑的量調整基片與燒杯底的角度)。
7、 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于將制得的薄膜用去離子水和無水乙醇沖洗，自然風干。
8、 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于對于納米粉體， 所述洗滌是用冷或熱的去離子水，采用離心機沉淀或抽濾設備進行過濾，過濾產物重新在去離 子水中分散，反復過濾直到濾液pH值為7，最后用無水乙醇洗滌以方便干燥。
9、 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于對于納米粉體， 在真空烘箱中烘干，真空干燥條件為真空度〈133Pa。 如權利要求1所述碲化鉛薄膜和納米粉體的制備方法，其特征在于所述的堿濃度為0.1 0.5mol/L，所述絡合劑的用量為Pb原子摩爾數的1 1.5倍，所述硼氫化鉀或硼氫化鈉的加入 使得8114: 1)2+=6 8。
全文摘要
本發明屬于碲化鉛(PbTe)薄膜和納米粉體的制備方法領域。一種PbTe薄膜和納米粉體的低溫水溶液同步合成方法，該方法以含鉛的無機鹽與二氧化碲或亞碲酸鈉為原料，以硼氫化鉀或硼氫化鈉為還原劑，在室溫至50℃堿性水溶液下同時合成PbTe薄膜和納米粉末。本發明首次在低于100℃且常壓下合成PbTe薄膜與納米粉體，制備的薄膜平整、致密、均勻；粉末產物粒徑小，粒度分布均勻，并可通過控制反應溫度來控制粒徑大小。整個工藝使用的原料便宜易得，工藝簡單，容易實現規模化生產，同時反應過程中避免使用有機溶劑，有利于環保。合成的PbTe薄膜和納米粉體可廣泛應用于熱電器件、太陽能電池、熒光器件、紅外光學元件、紅外薄膜器件和半導體探測器等，應用前景廣闊。
文檔編號C30B29/46GK101602496SQ20091005445
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月7日 優先權日2009年7月7日
發明者熹 姚, 汪元元, 蔡克峰 申請人:同濟大學