掺锡氧化铟纳米粉体的制备及表征

掺锡氧化铟纳米粉体的制备及表征
蒋跃强;王建华;廖宏;聂福德;刘永刚
【摘要】以InCl3·5H2O和SnCl4·5H2O为原料,以NH3·H2O作共沉淀剂,采用表面活性剂及有机脱水的方法防团聚,制备了纳米掺锡氧化铟(ITO)粉体,并用X-射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、比表面测定、傅立叶红外吸收光谱等对制得的粉体进行了表征.结果表明,制得的球形ITO粉体分散性好、粒度均匀,具有单相立方In2O3晶体结构,其平均粒径约40 nm,在714～3333 cm-1范围内对红外光的平均透过率小于5%,是一种优良的红外吸收材料.
【期刊名称】《化学与生物工程》
【年(卷),期】2009(026)011
【总页数】3页(P20-22)
【关键词】ITO;液相化学共沉淀;纳米粉体;表征
【作者】蒋跃强;王建华;廖宏;聂福德;刘永刚
【作者单位】中国工程物理研究院化工材料研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院化工材料研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院化工材料研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院化工材料研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院化工材料研究所,四川,绵阳,621900
【正文语种】中文
【中图分类】TF123.7
掺锡氧化铟(Indium tin oxide，ITO)是一种n型半导体材料，在实际应用中多以
薄膜的形式出现。

ITO薄膜具有对可见光透明、强烈反射红外光、电阻低的特性，应用广泛。

ITO薄膜的制备一般都是先将ITO粉末制成靶材，然后用直流磁控溅
射法将靶材制成ITO薄膜，对于制备靶材所用的ITO粉末，要求纯度高、粒度细、分散性好、掺杂均匀性好[1,2]。

目前制备纳米ITO粉体的方法有很多种，但能够应用于工业生产的仅有喷雾燃烧
法和液相化学共沉淀法。

其中液相化学共沉淀法不仅能从分子水平设计和控制材料的均匀性、成分、粒度，制得粒度小、均匀的高纯粉体材料，而且由于其设备相对简单，较易于放大进行工业化生产，是制备ITO纳米粉体的主要方法[3]。

作者运
用液相化学共沉淀法，通过控制共沉淀条件，引入表面活性剂、有机脱水的方法防团聚，制得了粒度均匀、分散性好、单相立方结构的球形ITO纳米粉体，并对粉
体的结构性能进行了表征。

1 实验
1.1 试剂与仪器
InCl3·5H2O、SnCl4·5H2O、NH3·H2O(25%)、无水乙醇、聚乙二醇，均为分析纯。

XPERT PRCK型X-射线粉末衍射仪，日本 Philips；JEM-100CX/Ⅱ型透射电镜，日本；LEO-S440型扫描电镜，英国；NOVA2000型比表面测定仪，美国Quantachrome；NICOLET800型傅立叶红外光谱仪，美国；HPDSC204型热分析仪，德国NETZSCH。

1.2 ITO纳米粉体的制备
称取计算量(使最终产物铟与锡的物质的量之比为19∶1)的InCl3·5H2O和
SnCl4·5H2O，先分别制成一定浓度的溶液；再将其混合搅拌均匀, 然后加入适量
的表面活性剂聚乙二醇；在恒温水浴槽中于60℃下边搅拌边缓慢匀速滴加氨水以
调整反应液的pH值至设计值，继续搅拌1 h，使其沉淀完全；反应完成后，沉淀经抽滤、洗涤、有机脱水，100℃干燥2 h；然后在适当温度下于马弗炉中煅烧1 h，自然冷却、研磨，即得到ITO纳米粉体。

1.3 ITO粉体的表征
用X-射线衍射仪进行粉末物相及结晶性分析；用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)观察粉末的形貌并估计平均粒径；用BET法测定粉末的比表面积并计算平均粒径；用红外吸收光谱仪表征粉末的红外光谱特性；用热分析仪分析由前驱体煅烧制备ITO复合粉体的反应历程。

2 结果与讨论
2.1 物相分析
图1为所制掺杂前后氧化铟的XRD图谱。

从图1可以看出，衍射峰比较少，具有显著的单相特征，其特征峰的强度和位置
与标准衍射卡JCDPS卡号6-0416的In2O3标准值相一致，既没有观察到SnO2的特征峰，也没有显示出因SnO2的加入而产生峰的偏移。

然而，当对粉体作定
性分析时，发现产物中有掺杂的Sn元素存在。

有研究[4,5]认为， In3 +的离子半径为0.081 nm，而Sn4+ 的离子半径为0.071 nm，二者比较接近，在反应过程中，Sn4+可以代替In3 +的位置而生成具有立方In2O3结构的固溶体。

XRD图
谱中没有SnO2相的出现，与该理论相吻合。

另外，XRD图谱的衍射峰比较尖锐，表明制备的ITO粉体的结晶性较好[6]。

注：9#为掺杂5% Sn、均匀升温煅烧制备，10# 为未掺杂，11#为掺杂5% Sn、骤然升温煅烧制备图1 掺杂前后氧化铟的XRD图Fig.1 The XRD patterns of
In2O3 and In2O3 doped with Sn
根据XRD图谱进行晶格参数计算和晶型判定，结果表明,掺杂前后均属立方晶系，
即α=β=γ=90°，且其晶格参数也基本未发生改变。

2.2 ITO前驱体热分析
将ITO前驱体于100℃干燥2 h后，进行TG-DSC(失重-差热)分析，结果见图2。

图2 ITO前驱体的TG-DSC曲线Fig.2 The TG-DSC curves of ITO precursor
从图2可以看出，前驱体在245.5℃有一个明显的吸热峰，而在298.8℃有一个明显的放热峰；前者为铟锡氢氧化物的脱羟基反应，该反应是吸热反应；后者为表面活性剂的燃烧放热反应，此时的反应不仅是表面活性剂的燃烧反应，而且还存在金属离子的氧化以及铟锡氧化物的形成。

温度超过500℃以后，热重曲线变化不再
明显，说明此时ITO前驱体热分解已经完成。

2.3 扫描电镜测试(图3)
图3 ITO纳米粉体的SEM图Fig.3 The SEM patterns of ITO nanopowders
从图3可以看出，未经防团聚处理制得的ITO粉末，其分散性不佳，且粒径较大、形状很不规则；而经防团聚处理制得的ITO粉体粒径较小，约为40 nm，形状比
较规则均呈类球形，分散性也较好，没有大的团聚体；而由ITO水分散体，可以
更清楚地观察到大小均匀的球形纳米颗粒。

2.4 透射电镜测试(图4)
图4 ITO纳米粉体的TEM图Fig.4 The TEM pattern of ITO nanopowder
从图4可以看出，经防团聚处理的ITO粉体的分散性很好、粒径比较均匀、呈类
球形，平均粒径约为40 nm。

2.5 红外特性分析
ITO前驱体和ITO粉体的红外光谱图见图5。

图5 ITO前驱体和ITO纳米粉体的IR图Fig.5 The IR spectra of ITO precursor and nanopowder
从图5可以看出，ITO前驱体中含有大量的羟基(3253.695 cm-1、1629.007 cm-
1、833.312 cm-1)及In-O基团(1162.113 cm-1、1101.910 cm-1、 499.67 cm-1)，这与资料报道相一致[4,7]。

但没有观察到Sn-O基团的特征吸收峰，这与XRD图谱中没有SnO2的特征峰相吻合，进一步证实了掺杂的均匀性和有效性。

从图5还可以看出，自制的ITO粉体对红外光有很强的阻隔作用[4,8]，在波数714～3333 cm-1 (即红外隐身大气窗口3～14 μm波段)范围内,对红外光透过率为18.8%～0.8%，平均透过率小于5%，这说明制备的ITO纳米粉体是一种优良的红外吸收材料。

2.6 粒径测定
采用BET法测得粉体的比表面积为22.93 m2 ·g-1，计算平均粒径为36.6 nm，与用扫描电镜观测的粒径比较接近。

3 结论
运用液相化学共沉淀法，采用在共沉淀时添加表面活性剂和对沉淀进行有机脱水的方法防团聚，制得了分散性好、粒度均匀、具有单相立方In2O3结构、平均粒径约40 nm的球形ITO纳米粉体，是一种优良的红外反射材料。

参考文献：
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