一种制备立方相三氧化二铈单晶薄膜的方法技术

技术编号:13738635 阅读:145 留言:0更新日期:2016-09-22 11:18
本发明专利技术属于薄膜制备领域。公开一种制备立方相三氧化二铈单晶薄膜的方法。该三氧化二铈为(Mn0.5Fe0.5)2O3结构,空间群为206。该方法包括:提供一单晶钨(110)衬底,并对其表面进行清洁处理,以获得原子级平整的表面;提供铈(Ce) 蒸发源,并在处理后的单晶钨(110)衬底表面沉积Ce,在处理后的单晶钨(110)衬底表面获得厚度为2~5纳米的Ce单晶薄膜;在室温下氧化Ce单晶薄膜,获得CeO2;在真空环境中对CeO2进行退火处理,退火温度900℃,时间为15~30分钟,获得(001)面的Ce2O3单晶薄膜。本发明专利技术获得了(001)面的立方相Ce2O3单晶薄膜,是对现有催化模型体系研究的补充。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于薄膜材料的制备,特别是关于一种立方相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法。
技术介绍
由于所含氧的比例不一样,氧化铈有多种结构,除了最常见的二氧化铈(CeO2)和三氧化二铈(Ce2O3)之外,还有多种非化学计量比的CeOx。其中的Ce2O3结构有两种:一种为六角结构的La2O3结构,空间群为164;另一种为立方结构的(Mn0.5Fe0.5)2O3结构,空间群为206。目前,现有技术中有多种制备CeO2单晶薄膜的方法,而且市面上也有CeO2单晶块体购买。但是对于立方相的Ce2O3,目前市场上没有单晶购买,主要是在实验室制备。目前,制备Ce2O3的方法有两种,一种方法为在氧气氛下沉积金属铈(Ce),通过控制氧分压的大小和退火温度得到立方相Ce2O3,此种方法可获得立方相Ce2O3为(111)面;另外一种方法为在氧气氛下先制备出CeO2,然后再在CeO2表面沉积金属铈,通过退火还原而得到立方相Ce2O3,此种方法得到的立方相Ce2O3薄膜的晶面依然是(111)面。其他晶面的Ce2O3的制备方法,例如(001)面,目前现有技术中并没有揭露。有鉴于此,提供一种制备立方相Ce2O3(001)面单晶薄膜的方法实为必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备立方相Ce2O3(001)面单晶薄膜的方法。本专利技术实现其目的所采用的技术方案为:所述方法包括:提供一单晶钨(110)衬底,并对其表面进行清洁处理,以获得原子级平整的表面;提供Ce蒸发源,在处理后的单晶钨(110)衬底表面沉积Ce,在处理后的单晶钨(110)衬底表面获得厚度为2~5 nm的Ce单晶薄膜;在室温下氧化Ce单晶薄膜,获得CeO2;在真空环镜中对CeO2进行退火处理,退火温度900℃,时间为15~30分钟,获得晶面(001)面的Ce2O3单晶薄膜。所述方法在提供一单晶钨(110)衬底之前还包括准备Ce蒸发源,所述准备Ce蒸发源包括:将高纯Ce棒去除表面氧化物之后,装入钽坩埚,放入高温蒸发源;将高温蒸发源装入分子束外延系统(MBE),抽真空烘烤后得到2×10-10毫巴(mbar)的超高真空环境;逐渐将蒸发源升温,对钽坩埚中的Ce源进行除气去除杂质,直到升温至1600℃,经过多轮除气之后,使MBE的本底真空度达到5×10-11mbar,在钼板上试蒸发Ce后,利用X射线光电子能谱(XPS)检测其中Ce的化学状态,直到试蒸发得到的薄膜为金属态的Ce。所述方法在提供单晶钨(110)衬底之后沉积Ce单晶薄膜之前,再次在1600℃温度下对Ce蒸发源除气2小时,然后将Ce蒸发源的温度降至1500℃待蒸发,真空度为1.5×10-10mbar。在所述方法中,对单晶钨(110)衬底进行表面清洁处理包括:对单晶钨(110)衬底预抛光至30nm,传入超高真空环境,经过除气后,利用氩离子(Ar+)溅射对单晶钨(110)衬底表面进行清洁处理,Ar+离子溅射的能量为2.0KeV,然后退火至900℃维持10秒,关闭加热自然冷却。在所述方法中,在室温下氧化Ce单晶薄膜包括:在分压为1×10-3mbar~1大气压的高纯氧气氛下将Ce单晶薄膜氧化20小时以上。在所述方法中,在真空环境对CeO2进行退火处理时,真空度为2×10-10mbar。在所述方法中,在处理后的单晶钨(110)衬底表面沉积Ce的时间为9分钟,获得2 nm厚的Ce单晶薄膜,在真空环境中对CeO2进行退火的时间为15分钟。在所述方法中,在室温下氧化Ce单晶薄膜,获得CeO2包括:通入1×10-3mbar的高纯氧气,室温下氧化32小时。在所述方法中,在处理后的单晶钨(110)衬底表面沉积Ce的时间为20分钟,获得5 nm厚的Ce单晶薄膜,在真空环境中对CeO2进行退火的时间为30分钟。在所述方法中,在室温下氧化Ce单晶薄膜,获得CeO2包括:通入1大气压的高纯氧气,室温下氧化20小时。与现有技术相比较,本专利技术的方法得到了现有技术中没有获得的晶面(001)面,是对现有催化模型体系研究的大力补充。附图说明图1是本专利技术的Ce2O3(001)面单晶薄膜的制备方法的流程图。图2和图3是本专利技术实施例1在制备过程中各阶段所获产物的X射线光电子能谱监测结果。图4~7是本专利技术实施例1所获得的Ce2O3(001)面单晶薄膜的结构分析图。图8是本专利技术实施例立方相Ce2O3的晶体结构示意图。图9和10是本专利技术实施例2在制备过程中各阶段所获产物的X射线光电子能谱监测结果。图11~13是本专利技术实施例2所获得的Ce2O3(001)面单晶薄膜的结构分析图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供一种立方相Ce2O3(001)面单晶薄膜的制备方法。此方法采用分子束外延法先制备Ce单晶薄膜,然后将Ce单晶薄膜氧化至CeO2,最后在超高真空环境下退火CeO2至一定温度而获得本专利技术实施例的立方相Ce2O3(001)面单晶薄膜。本专利技术实施例的Ce2O3为(Mn0.5Fe0.5)2O3结构,空间群为206。CeO2在异质催化中主要作为氧的存储媒介而提供氧,因此研究氧空位在催化中的作用意义重大,立方相Ce2O3结构的产生来自于立方相CeO2周期性的氧缺失,不同晶面的材料制备是研究不同晶面的催化作用的基础,到目前为止,制备的Ce2O3均为(111)面,而未见有(001)面薄膜的制备,因此(001)面Ce2O3单晶薄膜的制备将为模型催化的研究提供有力补充。请参考图1,本专利技术实施例的制备方法包括以下步骤:S102:准备Ce蒸发源,具体包括:a.将高纯Ce棒(Ce的纯度为99.9%)去除表面氧化物之后,装入钽(Ta)坩埚,放入高温蒸发源;b.将高温蒸发源装入分子束外延系统(MBE),抽真空烘烤后得到2×10-10毫巴(mbar)的超高真空环境;c.逐渐将蒸发源升温,对钽坩埚中的Ce源进行除气去除杂质,直到升温至1600℃,经过多轮除气之后,使MBE的本底真空度达到5×10-11mbar,在干净的钼(Mo)板上试蒸发Ce后,利用X射线光电子能谱(XPS)检测其中Ce的化学状态,直到试蒸发得到的薄膜为金属态的Ce。S104:处理单晶钨(110)衬底本实施例的方法采用单晶钨(110)作为薄膜生长的衬底,此单晶钨(110)衬底预抛光至30纳米(nm),传入超高真空环境,经过除气后,利用多轮的氩离子(Ar+)溅射加速退火的方法对表面进行清洁处理,Ar+离子溅射的能量为2.0KeV,然后快速退火至900℃维持10秒左右,关闭加热自然冷却。经过溅射退火处理的单晶钨(110)衬底经过扫描隧道显微镜(STM)和低能电子衍射(LEED)分析,以确认表面达到原子级平整的表面。S106:制备Ce单晶薄膜在生长Ce单晶薄膜之前,再次在1600℃温度下对Ce蒸发源除气2小时,然后将Ce蒸发源的温度降至1500℃待蒸发,真空度约为1.5×10-10mbar;将处理好的钨(110)衬底传入MBE样品台,打开蒸发源挡板,在单晶钨(110)衬底表面沉积Ce薄膜约9~20分钟,沉积过程中利用反射式高能电子衍射(RHEED)监测Ce单晶薄膜的生长过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备立方相三氧化二铈(Ce2O3)单晶薄膜的方法,其特征在于:所述方法包括:提供一单晶钨(110)衬底,并对其表面进行清洁处理,以获得原子级平整的表面;提供铈(Ce) 蒸发源,并在处理后的单晶钨(110)衬底表面沉积Ce,在处理后的单晶钨(110)衬底表面获得厚度为2~5纳米(nm)的Ce单晶薄膜;在室温下氧化Ce单晶薄膜,获得CeO2;在真空环镜中对CeO2进行退火处理,退火温度为900℃,时间为15~30分钟,获得晶面(001)面的Ce2O3单晶薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种制备立方相三氧化二铈(Ce2O3)单晶薄膜的方法,其特征在于:所述方法包括:提供一单晶钨(110)衬底,并对其表面进行清洁处理,以获得原子级平整的表面;提供铈(Ce) 蒸发源,并在处理后的单晶钨(110)衬底表面沉积Ce,在处理后的单晶钨(110)衬底表面获得厚度为2~5纳米(nm)的Ce单晶薄膜;在室温下氧化Ce单晶薄膜,获得CeO2;在真空环镜中对CeO2进行退火处理,退火温度为900℃,时间为15~30分钟,获得晶面(001)面的Ce2O3单晶薄膜。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述方法在提供一单晶钨(110)衬底之前还包括准备Ce蒸发源,所述准备Ce蒸发源包括:将高纯Ce棒去除表面氧化物之后,装入钽坩埚,放入高温蒸发源;将高温蒸发源装入分子束外延系统(MBE),抽真空烘烤后得到2×10-10毫巴(mbar)的超高真空环境;逐渐将蒸发源升温,对钽坩埚中的Ce源进行除气去除杂质,直到升温至1600℃,经过多轮除气之后,使MBE的本底真空度达到5×10-11mbar,在钼板上试蒸发Ce后,利用X射线光电子能谱(XPS)检测其中Ce的化学状态,直到试蒸发得到的薄膜为金属态的Ce。3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述方法在提供单晶钨(110)衬底之后沉积Ce单晶薄膜之前,再次在1600℃温度下对Ce蒸发源除气2小时,然后将Ce蒸发源的温度降至1500℃待蒸发,真空度为1.5×...

【专利技术属性】
技术研发人员:冯卫刘琴谢东华朱燮刚陈秋云谭世勇
申请(专利权)人:中国工程物理研究院材料研究所
类型:发明
国别省市:四川;51

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