六角相三氧化二铈单晶薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：提供反应腔室，所述反应腔室中包括样品台；将铈块装入蒸发源；将所述反应腔室抽真空；加热所述蒸发源；提供钨单晶衬底，对所述钨单晶衬底进行处理以获得原子级平整的表面；将处理后的所述钨单晶衬底放置在所述样品台上；继续加热所述蒸发源，从而得到铈薄膜；向所述反应腔室中充入氧气，使得所述铈薄膜氧化为六角相三氧化二铈；以及对所述六角相三氧化二铈进行退火，从而得到所述六角相三氧化二铈单晶薄膜。本发明专利技术提供了一种全新的六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法。本发明专利技术还提供一种由所述制备方法制备的六角相三氧化二铈单晶薄膜以及六角相三氧化二铈单晶薄膜的应用。

Hexagonal ceria single crystal thin film and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
六角相三氧化二铈单晶薄膜及其制备方法与应用
本专利技术涉及六角相三氧化二铈的
，尤其涉及一种六角相三氧化二铈单晶薄膜及其制备方法与应用。
技术介绍
铈离子具有两种不同的化学价态，正三价和正四价，因此最常见的化学计量比的氧化铈有：只包含三价铈离子的六角相三氧化二铈和只包含四价铈离子的二氧化铈。由于铈离子的化学价态非常容易转化，由此导致在六角相三氧化二铈和二氧化铈之间还存在众多非化学计量比的氧化形态。常温常压下的二氧化铈比较稳定，但是在高温或者还原性气氛下，二氧化铈中的四价铈离子可以被还原成三价而部分转变成非化学计量比的氧化铈甚至是六角相三氧化二铈，但是一般来说很难被彻底转化成六角相三氧化二铈。且在通常的条件下，六角相三氧化二铈极不稳定，很容易被氧化成四价铈，因此无法稳定存在和保存。现有技术中对六角相三氧化二铈的研究通常是将二氧化铈高温下重还原得到，但大部分情况下六角相三氧化二铈混杂有其他结构的氧化铈，极少能够获得较纯六角相三氧化二铈，因此其本征基本性质的研究较少。由于氧化铈在催化、能源转化和生物医学中有着广泛应用，而三氧化二铈是其常见的还原产物，因此，该六角相三氧化二铈薄膜在后续的研究和工业产品开发中可能具有较重要的价值。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法，该方法制备的六角相三氧化二铈单晶薄膜的纯度较高。另，还有必要提供一种由所述制备方法制备的六角相三氧化二铈单晶薄膜。另，还有必要提供一种所述六角相三氧化二铈单晶薄膜的应用。本专利技术提供一种六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：提供反应腔室，所述反应腔室中包括样品台；将铈块装入蒸发源，并将装有所述铈块的所述蒸发源安装至所述反应腔室中，使得所述蒸发源的出口朝向所述样品台；将所述反应腔室抽真空，使得所述反应腔室内的真空度小于1×10-10mbar；加热所述蒸发源以去除所述铈块中的杂质；为了避免在后续的加热退火处理中金属铈与衬底发生反应，我们选择钨单晶作为衬底，对所述钨单晶衬底进行处理以获得原子级平整的表面；将处理后的所述钨单晶衬底放置在所述样品台上，并使得所述钨单晶衬底表面朝向所述蒸发源；继续加热所述蒸发源以使所述铈块中的铈原子蒸发到所述钨单晶衬底的所述表面，从而得到铈薄膜；向所述反应腔室中充入氧气至所述反应腔室内的真空度为1×10-9～9×10-9mbar，使得所述铈薄膜氧化为六角相三氧化二铈；以及对所述六角相三氧化二铈进行退火，从而得到所述六角相三氧化二铈单晶薄膜。本专利技术还提供一种由所述六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法制备的六角相三氧化二铈单晶薄膜。本专利技术还提供一种所述六角相三氧化二铈单晶薄膜的应用。本专利技术提供了一种全新的六角相三氧化二铈(0001)单晶薄膜的制备方法，是首次从金属铈单晶薄膜出发制备出六角相三氧化二铈(0001)单晶薄膜材料，所述制备方法制备的六角相三氧化二铈(0001)单晶薄膜的纯度较高。附图说明图1是本专利技术较佳实施例中的六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法的流程图。图2是本专利技术较佳实施例制备的六角相三氧化二铈(0001)单晶薄膜的扫描隧道显微镜(STM)图。图3是图2所示的六角相三氧化二铈(0001)单晶薄膜的原子层台阶高度与六角相三氧化二铈晶体结构的对比图。图4是图2所示的六角相三氧化二铈(0001)单晶薄膜的低能电子衍射(LEED)图。图5和图6是氧化前的铈薄膜与图2所示的六角相三氧化二铈(0001)单晶薄膜的X射线光电子能谱(XPS)图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。请参阅图1，本专利技术较佳实施例提供一种六角相三氧化二铈(空间群为P-3m1，晶格常数为a＝b＝0.394nm，c＝0.51nm，α＝β＝90°，γ＝120°)单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，提供反应腔室，所述反应腔室中包括样品台。步骤S2，将铈块装入蒸发源，并将装有所述铈块的所述蒸发源安装至所述反应腔室中，使得所述蒸发源的出口朝向所述样品台。在本实施方式中，将所述铈块装入所述蒸发源之前，先清洁所述铈块以去除所述铈块表面上较厚的氧化物杂质。所述铈块为高纯度的铈块。在本实施方式中，所述蒸发源中装填所述铈块的容器为坩埚。可以理解的，所述蒸发源还设有热源以对所述坩埚加热，以实现后续对所述铈块的加热。步骤S3，将所述反应腔室抽真空，使得所述反应腔室内的真空度小于1×10-10mbar。在本实施方式中，在抽真空之后，还对所述反应腔室进行烘烤，以进一步提高所述反应腔室内的真空度。步骤S4，加热所述蒸发源至1500-1700℃左右以去除所述铈块中的杂质。具体地，通过加热所述蒸发源使所述铈块的温度逐渐升高，从而使得铈块中的杂质从所述铈块中喷射飞出，最终将所述铈块中的杂质完全去除干净。步骤S5，提供钨单晶衬底，对所述钨单晶衬底进行处理以获得原子级平整的表面。其中，所述原子级平整的表面为所述钨单晶衬底的(110)晶面。在本实施方式中，利用离子溅射退火的方法清洁所述钨单晶衬底的(110)晶面，以去除所述钨单晶衬底表面上的杂质，并使所述钨单晶衬底的(110)晶面达到原子级平整。其中，所述钨单晶衬底为钨单晶块体或钨单晶薄膜。在本实施方式中，所述钨单晶衬底为钨单晶块体。步骤S6，将处理后的所述钨单晶衬底放置在所述样品台上，并使得所述钨单晶衬底表面朝向所述蒸发源。步骤S7，继续加热所述蒸发源至约1550℃(速率约为)，以使所述铈块中的铈原子蒸发到所述钨单晶衬底的所述表面，时间约为15min，从而得到厚度约为4.5nm的铈薄膜。具体地，所述铈原子蒸发到所述钨单晶衬底的(110)晶面。在蒸发时，所述钨单晶衬底不再额外加热。步骤S8，向所述反应腔室中充入氧气至所述反应腔室内的真空度为1.1×10-9mbar，保持时间约190min，使得所述铈薄膜氧化为六角相三氧化二铈。具体地，在蒸发结束后，将所述铈薄膜保持在室温，利用全金属微漏阀向所述反应腔室中充入少量纯度为99.999％的高纯氧气使得所述反应腔室内的真空度升高至1.1×10-9mbar，从而使得所述铈薄膜直接氧化为六角相三氧化二铈。其中，氧化时间约为190min。其中，本案专利技术人发现，向所述反应腔室中充入的氧气量对所述铈薄膜的氧化过程以及氧化后得到的产物具有重要的影响。即所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n提供反应腔室，所述反应腔室中包括样品台；/n将铈块装入蒸发源，并将装有所述铈块的所述蒸发源安装至所述反应腔室中，使得所述蒸发源的出口朝向所述样品台；/n将所述反应腔室抽真空，使得所述反应腔室内的真空度小于1×10

【技术特征摘要】
1.一种六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供反应腔室，所述反应腔室中包括样品台；
将铈块装入蒸发源，并将装有所述铈块的所述蒸发源安装至所述反应腔室中，使得所述蒸发源的出口朝向所述样品台；
将所述反应腔室抽真空，使得所述反应腔室内的真空度小于1×10-10mbar；
加热所述蒸发源以去除所述铈块中的杂质；
提供钨单晶衬底，对所述钨单晶衬底进行处理以获得原子级平整的表面；
将处理后的所述钨单晶衬底放置在所述样品台上，并使得所述钨单晶衬底表面朝向所述蒸发源；
继续加热所述蒸发源以使所述铈块中的铈原子蒸发到所述钨单晶衬底的所述表面，从而得到铈薄膜；
向所述反应腔室中充入氧气至所述反应腔室内的真空度为1×10-9～9×10-9mbar，使得所述铈薄膜氧化为六角相三氧化二铈；以及
对所述六角相三氧化二铈进行退火，从而得到所述六角相三氧化二铈单晶薄膜。


2.如权利要求1所述的六角相三氧化二铈单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述原子级平整的表面为所述钨单晶衬底的(110)晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯卫，郝群庆，陈秋云，刘琴，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