[发明专利]一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备工艺简单、成本低廉的立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法，属于纳米晶薄膜材料制备技术领域。

背景技术

核反应堆中的核燃料，如二氧化铀、二氧化钍、二氧化钚等材料具有放射性，研究这些材料在辐照环境中的演化对研究条件的要求非常苛刻，同时研究过程具有一定的危险性。立方相氧化锆(ZrO₂)与上述材料具有相同的结构，但是没有放射性，而且还具有非常优良的抗辐照性能，这使得它成为研究陶瓷氧化物在核反应堆中辐照行为的理想材料[K.E.Sickafus,H.Matzke,T.Hartmann,et al.Journal of Nuclear Materials.1999,274:66-67；Y.W.Zhang,W.L.Jiang,C.M Wang,et al.Physical review B,2010,82:184105]。立方相ZrO₂是高温稳定相，一般在室温条件下不易获得。目前国际上一般采用离子束辅助沉积(IBAD)方法来制备立方相ZrO₂纳米晶薄膜[J.Lian,J.Zhang,F.Namavar,et al.Nanotechnology,2009,20:245303]，这种方法合成的纳米晶晶粒大小比较均匀，但是其操作工艺复杂，成本较高，而且可控性也比较差。也有报道将ZrSiO₄进行离子束非晶化，获得埋覆在非晶SiO₂中的ZrO₂纳米晶[A.Meldrum,L.A.Boatner,R.C.Ewing.Physical Review Letters,2002,88:025503]，但是这种方法制备出的ZrO₂纳米晶在辐照条件下容易非晶化。溶胶―凝胶方法制备工艺比较简单，而且成本比较低廉。目前已报道的采用溶胶―凝胶方法合成的立方相ZrO₂纳米晶大部分是粉体材料[蒋银花,倪良,李澄,等.无机盐工业,2006,38:29-35]，也有部分文献报道在衬底上制备出ZrO₂纳米晶薄膜[A.Mehner,H.K.Westkamp,F.Hoffmann,et al.Thin Solid Films,1997,308:363-368]，但是仍然存在许多问题，如在衬底上涂覆的薄膜容易发生开裂、薄膜不平整、多孔、相不纯、烧结温度高等问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是制备出一种晶粒大小均匀的、表面平滑无裂纹的、有稳定立方相的氧化锆纳米晶薄膜。提供了一种溶胶―凝胶法结合旋涂的方式，制备8YSZ的方法。

一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法，制备步骤如下：

1)、分别采用分析纯ZrOCl₂·8H₂O为锆源，Y(NO₃)₃·6H₂O为钇源，加入去离子水配制成浓度为0.4-0.8mol/L的ZrOCl₂溶液，其中Zr:Y的摩尔比为0.92:0.16；

2)、以H₂C₂O₄·2H₂O为沉淀剂，加入去离子水，配制成与ZrOCl₂溶液浓度比为0.5-1的溶液；将ZrOCl₂溶液缓慢滴加到H₂C₂O₄溶液中，制备成溶胶前驱体；

3)、以聚乙烯醇(PVA)溶液作为分散剂，乙酰丙酮作为溶胶稳定剂，分别加入到溶胶前驱体当中；其中PVA的质量浓度为5％-10％，溶胶前驱体当中PVA的质量分数为8％-12％，乙酰丙酮的体积分数为3％-5％；

4)、旋涂；以单晶Si作为衬底，匀胶机的转速为7000-9000r/min，旋转时间为50-100s；

5)、分级干燥处理，80℃保温15-30min，50℃保温30-60min，30℃保温30-60min。将干燥好的薄膜进行300-400℃，20-50min的预烧结处理后再重复旋涂的步骤进行多次涂膜。

6)、烧结：涂膜阶段完成后，进行500-1200℃，保温0.5-1.5h的烧结处理，即可获得稳定立方相的氧化锆薄膜。