氧化铟锡纳米粉体的合成及其表面等离子体共振的研究和热阻隔材料的应用

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氧化铟锡(ITO)具有优异的高电导和高可见光透光率性质,已广泛应用于透明导电氧化物(TCO)薄膜材料。有关ITO材料的研究,大多集中于其高载流子浓度导致的高电导性质。虽然ITO纳米粉体由于其高载流子浓度,因此具有高的近红外吸收特性,作为热阻隔材料有应用潜力,但,ITO热阻隔材料的相关研究,主要是成膜工艺、膜层性能等方面;而对于关键的基础问题,即,ITO纳米粉体材料的基础问题,尤其是等离子共振(SPR)吸收特性方面的研究尚缺。等离子共振吸收的影响因素,理论上虽然给出了指导,但,针对ITO纳米粉体,如何控制其等离子共振吸收峰,相关的机理和模型等方面,少有研究。  本文采用共沉淀法和溶剂热法,以廉价的InCl3·4 H2O、SnCl4·5 H2O为原料,合成了具有高红外吸收性能的ITO纳米粉体;通过SEM、XRD、XPS、UV-Vis-NIR等分析,对其结构和形貌进行了表征,并着重研究了煅烧气氛、煅烧温度、Sn含量、溶剂种类对ITO纳米粉体的等离子体共振吸收特性的影响,讨论了主要的影响因素及可能的机理;通过共混法,制备ITO透明隔热涂料,评价了透明膜层的透光率及红外阻隔率。  结果表明,(1)对于共沉淀制备方法,使用单一气氛煅烧时,氧化气氛(空气)下,SPR吸收峰位于2500 nm;而还原气氛(氩气与5 vol%氢气的混合气体)下,SPR吸收峰位于1300 nm;随煅烧温度变化,SPR吸收波长没有改变,载流子浓度ne也相应的没有改变。然而,实验发现,先经过600℃氧化气氛煅烧后,再经还原气氛煅烧,ITO纳米粉体的SPR吸收峰,位于1200nm至1430nm范围,随加热温度的升高发生蓝移,即,在上述工艺条件下,ITO纳米粉体的SPR吸收峰可控可调;这实验发现,对ITO纳米粉体作为近红外阻隔材料的应用有指导意义。XPS分析表明,随还原气氛煅烧温度的提高,氧空位浓度变化不明显,其对于载流子浓度的影响很小,几乎可以忽略。ITO载流子浓度主要取决于Sn-O复合结构的结合程度。(2)随着Sn含量的升高,ITO纳米粉体的SPR吸收峰先蓝移后红移。当Sn含量小于8%时,随着Sn含量的升高,载流子浓度提高;而当锡含量大于8%时,由于部分Sn成为电子陷阱,降低了载流子浓度。(3)对于溶剂热制备方法,研究了溶剂种类、温度对ITO纳米粉体SPR吸收峰的影响。溶剂热反应中,由于不同溶剂的还原性、粘度不同,对ITO纳米粉体的还原程度不同,导致ITO纳米粉体的载流子浓度不同,等离子共振吸收峰也有所不同。290℃溶剂热时,使用甲醇、乙醇、乙二醇溶剂,制备的ITO结晶度较高。而使用异丙醇和丁醇溶剂,制备的ITO结晶度较低。ITO纳米粉体的生长过程为:In(OH)3→InOOH→In2O3。(4)尝试以共混法制备ITO透明隔热涂层,当ITO含量为7%时,可见光透光率为83.90%,比空白玻璃仅降低6.60%;红外光透光率仅为41.80%,与空白玻璃相比,红外隔绝率超过40%。在保证高可见光透光率的同时,具有良好的隔热功能;ITO纳米粉体作为热阻隔材料,呈现了在建筑、交通领域的应用前景。
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