由溶液获得的纳米复合材料前体溶液，制备薄膜的方法和由其制得的薄膜技术

公开了由溶液获得的纳米复合材料前体溶液，其包含一种或多种溶解于液体中的金属前体，所述液体包含极性质子和极性非质子溶剂。所述前体溶液的特征在于在前体溶液或者前体溶液的薄层施加剪切力之后凝胶的形成。还公开了使用这样的前体溶液来制备薄膜的方法，使用该前体溶液制备的薄膜，具有最小表面积的薄膜以及包含在这里所公开的薄膜的装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由溶液获得的纳米复合材料前体溶液，制备薄膜的方法和由其制得的薄膜本申请要求2011年2月2日提交的名称为SolutionDerivedNanocompositePrecursorSolutionsandMethodsforMakingThinFilms的美国临时申请61/438,862的优先权，其全文通过引用并入本文。
公开了由溶液获得的纳米复合材料（SDN）前体溶液，其包含一种或多种、优选两种或更多种溶解在液体中的金属前体，所述液体包含极性质子溶剂和极性非质子溶剂。该前体溶液的特征在于在向前体溶液或前体溶液的薄层施加剪切力之后凝胶的形成。还公开了使用这样的前体溶液来制备薄膜的方法，使用所述前体溶液制得的薄膜，具有最小表面积的薄膜以及在这里所公开的包含薄膜的装置。专利技术背景在许多装置中有薄膜涂层或多层膜堆的层。例如，二元和三元金属-非金属化合物，包括但不限于Y2O3,ZrO2,YZO,HfO2,YHO,Al2O3,AlO2,ZnO,AZO,ITO,SiC,Si3N4,SixCyNz,SixOyNz,TiO2,CdS,ZnS,Zn2SnO4,SiO2,WO3,CeO3等，已经作为用于各种不同目的的薄膜涂层或者多层膜堆的层而沉积。这样的薄膜包括透明导电氧化物（TCO）电极、钝化膜、背面电场（BSF）层、扩散阻挡层、增频变频器、降频变频器、选择性发射极掩膜、离子存储层(如锂离子电池或电致变色器件中的)、固体电解质、防潮层、耐磨层、绝热层、阻抗校正层、表面改性层、介电薄膜、反射和抗反射层等。用于沉积这样的薄膜的已知方法有许多。这些方法可被分为两类：真空技术，如PVD、CVD、ALD和MBE，以及非真空技术，例如电镀、CBD和丝网印刷。所有的这些方法均昂贵且耗时。溶胶-凝胶方法已被用于制备薄膜。溶胶-凝胶薄膜可以使用包含颗粒的胶体悬浮溶液或者溶胶-凝胶溶液的溶胶-凝胶介质来制备。使用溶胶-凝胶溶液的方法通常涉及施加包含金属前体、如与金属醇盐结合金属盐，的溶胶-凝胶前体溶液的薄膜。在某些应用中，薄膜会在200℃至900℃的温度下退火。例如参见US2004/0058066和US2007/0190361。还制备了混合溶胶-凝胶薄膜。这样的薄膜包含无机和有机组分并且可被分为两类：（1）包含嵌在无机基质中有机分子、预聚物或聚合物的那些和（2）包含通过共价键连接的无机和有机组分的那些。这样的混合溶胶-凝胶可以通过UV诱导的聚合或作为特定反应的产物而制备。如果需要的话，通常在约20℃至200℃之间进行额外的固化。溶液溶胶-凝胶方法通常涉及浸渍、纺纱或喷涂，并且由此被限制在可以涂覆薄膜的基底表面。例子包括光学透镜以及生物医学设备，如植入物和血管支架。可由这样的技术所覆盖的最大表面积典型地小于约50cm2。通用的辊式涂布机并未被成功地使用，因为使用非牛顿流体时形成并保持动态润湿线有困难。专利技术概述在一种实施方案中，SDN前体溶液包含（1）一种或多种、优选两种或更多种溶胶-凝胶金属前体和/或溶胶-凝胶类金属前体，（2）极性质子溶剂和（3）极性非质子溶剂。每种组分的含量是这样的，使得在向前体溶液或前体溶液的薄层施加剪切力之后，该SDN前体溶液形成凝胶。在优选的实施方案中，极性非质子溶剂的含量为前体溶液的约1-25vol%。溶胶-凝胶金属前体中的金属可以是过渡金属、镧系金属、锕系金属、碱土金属和第IIIA族至第VA族金属或其与其它金属或类金属的组合中的一种或多种。溶胶-凝胶类金属前体中的类金属可以是硼、硅、锗、砷、锑、碲、铋和钋或者其与其它类金属或金属的组合中的一种或多种。溶胶-凝胶金属前体可以是选自有机金属化合物、金属有机盐和金属无机盐的金属化合物。溶胶-凝胶类金属前体可以是选自有机类金属化合物、类金属有机盐和类金属无机盐的类金属化合物。当多于一种的金属或类金属被使用的时候，优选其中一种为有机化合物(如醇盐)而其余的为有机或无机盐。在前体溶液中所使用的极性质子溶剂优选为有机酸或醇，更优选为例如甲醇和乙醇的低级烷醇。水也可存在于溶液中。极性非质子溶剂可以为卤代烷、烷基醚、烷基酯、酮、醛、烷基酰胺、烷基胺、烷基腈或烷基亚砜。优选的极性非质子溶剂包括甲基胺、乙基胺和二甲基甲酰胺。在一种实施方案中，金属和/或类金属前体被溶解在极性质子溶剂中。极性非质子溶剂随后被添加，同时溶液在避免非层流的条件下搅拌。用作用于该金属和/或类金属前体的聚合的催化剂的酸或碱可以在添加极性非质子溶剂之前或之后添加。优选地，所述酸或碱在一步法工艺中在搅拌的同时逐滴地滴加。如果添加了过多的极性非质子溶剂，那么就会发生凝胶化。因此，对于每种应用来说都可以根据经验来确定极性非质子溶剂的用量。极性非质子溶剂的用量需要低于在混合过程中导致发生凝胶化的用量，但是需要足以致使在向前体溶液施加剪切力之后，例如在施加至表面的过程中，或者在向已被沉积在基底表面上的前体溶液的薄膜施加剪切力的时候，例如通过向该前体溶液薄膜施加刮刀，导致所述前体溶液凝胶化。在另一种实施方案中，公开了制备固体薄膜层的方法。所述方法包括将前体溶液施加至基底的一个或多个表面，其中所述前体溶液包含（1）一种或多种溶胶-凝胶金属前体和/或溶胶-凝胶类金属前体，（2）极性质子溶剂和（3）极性非质子溶剂。优选地，所述前体的施加提供足够的剪切力来导致所述前体溶液凝胶化，从而形成胶凝的薄层。或者，可以向沉积在基底上的前体溶液的薄膜施加剪切力。在所公开的方法的进一步的实施方案中，该胶凝的薄层被暴露于UV、可见光和/或红外辐射。该辐射导致所述溶胶-凝胶前体的进一步的化学反应以形成薄凝胶。其还导致形成固体薄膜。在其它实施方案中，在所述前体溶液中存在额外的有机组分。在胶凝的薄膜暴露于辐射、优选UV辐射时，这样的组分被聚合以形成混合（无机/有机）溶胶-凝胶薄膜。这样的混合溶胶-凝胶薄膜是所期望的，因为它们在薄膜形成时形成裂纹和其它缺陷的可能较小。在其它实施方案中，所述辐射导致所述凝胶和/或薄膜的温度升高至允许在薄膜中形成期望的微结构的温度。前体溶液可以通过浸涂和/或旋涂或者通过辊涂来施加。这些方法中的每一种均可以提供足够的剪切力来导致前体溶液凝胶化。还公开了由所公开的方法制备的薄膜以及包括一个或多个这种薄膜的多层膜。在某些实施方案中，这样的薄膜的特征在于使用所公开的溶胶-凝胶前体溶液涂覆的表面积。具体地，所述溶胶-凝胶前体溶液容易适应辊式涂布机应用，其允许制造面积高至约20-100m2的薄膜。还公开了包括所公开的薄膜或包含一个或多个这样的薄膜的多层膜堆的装置。附图说明图1示出典型的溶胶-凝胶前体溶液的动态粘度和剪切力的函数关系。专利技术详述用于制备溶胶-凝胶薄膜的大多数现有技术的溶液包含溶胶-凝胶前体，主溶剂(如低级醇，例如甲醇或乙醇）)以及酸或碱催化剂。还可以存在其它的组分。当作为薄膜施加的时候，这样的溶液会随着时间的流逝（例如约5秒至500秒）而形成凝胶，并且在额外的干燥之后形成薄膜。凝胶的形成可以通过提高溶液的pH和/或密度、通过提高环境温度或者通过将薄膜层暴露于辐射来促进。在这里所公开的“溶胶-凝胶前体溶液”（有时称作“SDN前体溶液”或者“前体溶液”）的不同在于，凝胶化是由用于制备溶胶-凝胶前体溶液的混合溶剂的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种前体溶液，包含一种或多种溶胶‑凝胶金属前体和/或溶胶‑凝胶类金属前体、极性质子溶剂和极性非质子溶剂，其中在向所述的前体溶液施加剪切力之后所述的前体溶液形成凝胶，并且所述极性非质子溶剂在所述溶液中以约1至25vol%的量存在。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.02 US 61/4388621.一种前体溶液，包含：一种或多种溶胶-凝胶金属前体和/或溶胶-凝胶类金属前体，极性质子溶剂，其中所述极性质子溶剂为有机酸，和包含甲胺和乙胺中一者的极性非质子溶剂，其中在向所述的前体溶液施加剪切力之后所述前体溶液形成凝胶，并且其中所述极性非质子溶剂在所述溶液中以1至25vol％的量存在。2.权利要求1的前体溶液，其中所述溶液的粘度随着剪切力的增大而增大。3.权利要求1的前体溶液，其中所述一种或多种溶胶-凝胶金属前体中的金属选自由过渡金属、镧系金属、锕系金属、碱土金属以及第IIIA族至第VA族金属构成的组。4.权利要求1的前体溶液，其中所述一种或多种溶胶-凝胶类金属前体中的类金属选自由硼、硅、锗、砷、锑、碲、铋和钋构成的组。5.权利要求1的前体溶液，其中所述一种或多种溶胶-凝胶金属前体为选自由有机金属化合物、金属有机盐和金属无机盐构成的组的金属化合物。6.权利要求5的前体溶液，其中所述有机金属化合物为金属醇盐。7.权利要求6的前体溶液，其中所述金属醇盐选自由甲醇盐、乙醇盐、丙醇盐、丁醇盐和酚盐构成的组。8.权利要求5的前体溶液，其中所述金属有机盐选自由甲酸盐、乙酸盐和丙酸盐构成的组。9.权利要求5的前体溶液，其中所述金属无机盐选...

【专利技术属性】
技术研发人员：E赖亚博瓦，
申请(专利权)人：阿德文尼拉企业有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US