氧化釩-碳納米管復合薄膜的制備、表征及光電特性研究.pdf

1、溶膠凝膠法（Sol-Gel）制備的氧化釩（VOx）的結構、光學和電學性能已經(jīng)被廣泛研究，然而，迅猛發(fā)展的實際應用對材料性能不斷提出新的挑戰(zhàn)。為了提高該材料的綜合性能，基于VOx的復合材料備受關注，其中，對氧化釩-碳納米管（VOx-CNT）復合材料的研究最深入。目前，VOx-CNT復合材料的研究及應用主要集中在超級電容器和傳感器方面，該復合材料在紅外探測器中的研究尚未見報道。本文采用Sol-Gel制備了VOx和VOx-CNT復合薄膜（2≤

2、x≤2.5），并通過多種材料表征方法對薄膜進行了全面的研究。分析了氧化釩-單壁碳納米管（VOx-SWCNT）復合薄膜作為紅外探測器熱敏材料的可行性。本文的研究內容如下：
　　采用Sol-Gel制備了VOx薄膜并分析了其形貌、晶態(tài)和光電性能。結果表明,退火溫度太低、退火時間太短都會導致釩醇鹽不能充分分解，無法形成性能優(yōu)異的VOx薄膜；而退火溫度太高會破壞VOx的結構、長時間退火會使薄膜被氧化為高價態(tài)V2O5，兩者都會降低薄膜綜合性能

3、。與之相比，310℃退火1 h能夠得到綜合性能最優(yōu)的VOx薄膜，其主要成分為V2O5，并含有少量低價態(tài)VOx，其方阻較低，TCR達到-2.52％K-1、具有較高的吸收率，有望用作微測輻射熱計熱敏材料。
　　基于Sol-Gel，采用三種不同的薄膜制備方法（混合旋涂、分層旋涂和分層噴涂）制備了VOx-CNT復合薄膜。不同制備方法和碳納米管種類會影響VOx的物理和化學性質。在混合旋涂和分層旋涂制備的復合薄膜中，VOx與 CNT之間的相互

4、作用比較弱，所以通過上述旋涂方式加入CNT對薄膜性能提升較小。對于分層噴涂法，MWCNT與 VOx之間的相互作用比較強烈，由此明顯地損壞了VOx的結構并降低薄膜方阻和TCR；然而，VOx與SWCNT之間的相互作用適中，因而具有較好的均勻性、適當?shù)姆阶韬洼^高的TCR，表現(xiàn)出更優(yōu)的綜合性能。
　　在分層噴涂法制備VOx-SWCNT的基礎上，深入探討了SWCNT濃度對薄膜性質的影響。結果表明，在復合薄膜中，VOx與SWCNT之間通過化學

5、作用結合，該相互作用隨著碳納米管濃度的升高而增加，并在濃度約為6 wt%時達到飽和。與之對應，復合薄膜的V=O含量、光學透過率、光學帶隙、方阻和TCR均發(fā)生規(guī)律性變化，并在6 wt%時達到飽和。然而，值得注意的是，復合薄膜的綜合性能在碳納米管濃度約為4 wt%時達到最優(yōu)，此濃度下的復合薄膜具有良好的微測輻射熱計應用前景。
　　進一步使用橢圓偏振技術對Sol-Gel制備的VOx-SWCNT復合薄膜進行了深入研究。結果表明，5振子Ta

6、uc-Lorentz模型可以作為VOx及VOx-SWCNT的色散模型。研究發(fā)現(xiàn)，使用橢偏儀對復合薄膜進行表征測試得到的薄膜光學帶隙、定域態(tài)寬度等參數(shù)也隨著碳納米管濃度的增加而變化，并出現(xiàn)了與上一章內容類似的飽和現(xiàn)象。此外，還對Tauc-Lorentz模型中不同的振子能量進行了歸屬，這對于認識VOx薄膜及VOx-SWCNT復合薄膜的能帶結構，拓展Tauc-Lorentz模型的應用有重要的意義。
　　重要的是，本文還對 Sol-Gel

7、制備的不同退火溫度下的 VOx薄膜和VOx-SWCNT復合薄膜的電學性質進行了深入研究。不同退火溫度下的VOx薄膜電導率的EMN為+16 meV，說明其電導率符合Meyer-Neldel Rule(MNR)。然而，當SWCNT加入之后，低溫退火（≤310℃）的復合薄膜的EMN為+13 meV，仍然呈現(xiàn)MNR；令人驚奇的是，高溫退火（≥310℃）的復合薄膜EMN為-43 meV，出現(xiàn)反MNR現(xiàn)象。最后，對不同濃度VOx-SWCNT復合薄膜