透明导电铟锡氧化物纳米颗粒的表面包覆

摘要

随着纳米科技的发展，纳米材料以其特殊的性质将在材料科学、信息科学、生命科学、催化科学和环境科学等各个领域发挥非常重要的作用。但是，也正是由于纳米材料具有特殊的表面状态而具有很高的表面能，使它变得比一般的材料更易于团聚，从而影响其性能的充分发挥。目前，纳米材料的稳定性已经成了制约纳米材料走向应用的瓶颈，研究纳米颗粒的分散及其稳定性已经成了极其重要的课题。通常而言，解决这一问题的思想是利用静电效应或/和空间位阻效应等使得纳米材料稳定存在，以利于其应用。当前，虽然有人对各种方法进行了尝试，但是更有效的方法是利用空间位阻效应--根据纳米材料的应用领域以不同的方法在纳米材料的表面包上一层具有亲分散相或者化学惰性的包覆层，使之能够更好的分散在分散介质中或者稳定的存在于特定的环境中。对纳米材料的表面修饰不仅是提高相关产品的质量、提高产品的附加值及提升其竞争力的非常重要的技术手段，也是开发纳米材料新的性能或功能、扩展其应用领域的非常重要的技术手段。 铟锡氧化物(Indium tin oxide，ITO)具有一系列独特性能，如可见光透过率高(透过率≥95％)、紫外线吸收率较高(吸收率≥85％)、红外线反射率高(反射率＞90％)、微波衰减(衰减率≥85％)、电阻率低等特性和加工性能良好、膜层硬度高且既耐磨又耐化学腐蚀等其他氧化物所不具有的特点，因此它被广泛应用于汽车工业、宇航抗静电和军事隐形、建筑工业、电子工业、太阳能和微波屏蔽和激光辐射防护等方面。此外，ITO材料还被应用于催化领域、材料的合成等领域中。而且，随着相关产业的发展，其需求量正日益增大。 由于传统的ITO透明导电材料制备方法中存在制备条件苛刻、成本高及涂布的膜层不均匀等缺陷，而且传统方法中要求制备靶材所用的ITO粉末纯度高、性能好，而且要粒度细、颗粒均匀等特点--而这正是纳米技术所能解决的，目前 ITO 材料的制备技术倾向于将制备的ITO纳米颗粒分散在介质中，然后以旋涂、提拉等方法来制备透明导电材料。然而正如前面所述，ITO纳米颗粒的分散稳定性就成为了制备优良ITO材料的关键。 为了解决铟锡氧化物纳米颗粒的稳定性问题，本文采用溶胶--凝胶包覆法在铟锡氧化物纳米颗粒的表面包覆上了一层透明的二氧化硅，从而更有利于其充分分散在分散介质中。首先，将制得的ITO纳米颗粒超声分散在以一定比例配制的H2O : C2H5OH : NH3·H2O(or CH3COOH)分散液中。在实验中，探索了最佳的超声时间及分散体系的最佳pH值。并且在这一实验过程中，紫外--可见光谱能够对颗粒的分散状态进行有效的监测。然后，将正硅酸乙酯(tetraethyl orthosilicate，TEOS)加入反应体系中实现对ITO颗粒的包覆。在反应过程中探索了适宜的反应时间及包覆过程中核层颗粒的浓度、体系的pH值等对包覆质量的影响和TEOS的用量与SiO2膜层厚度之关系。 通过对包覆前后的铟锡氧化物纳米颗粒的表征，我们知道：1.正硅酸乙酯加入之前，纳米颗粒的超声分散状态直接影响到纳米颗粒的包覆效果，超声时间、分散介质的pH值对分散状态和包覆效果的影响是显著的；2.包覆过程中，反应进行的时间为4小时后包覆反应基本完全；3.反应体系的酸度、核层颗粒的浓度等都将影响纳米颗粒的包覆质量。4.从包覆体系的紫外--可见光谱分析可以知道，包覆了SiO2的铟锡氧化物纳米颗粒的分散体系放置3天之后才开始发生较明显的沉降或者团聚。5.对ITO纳米颗粒进行包覆后，其光谱性质和电学性能无明显的变化。因此，对ITO纳米颗粒的表面包覆改善了其在介质中的分散性能且能保证其光学、电学性能的发挥。