Sol-gel method for obtaining oxide thin-film materials for various purposes: a review of research results at the Department of Inorganic Chemistry of Tomsk State University
The sol-gel method of obtaining thin-film oxide materials has proven to be an inexpensive and sufficiently flexible method of obtaining nanostructures. This method makes it possible to achieve uniform distribution of elements of multicomponent systems on the surface of various solids. It is known that the thickness and surface morphology of oxide films is largely determined by the composition, structure, and processes occurring in the sols from which they are obtained. An important feature of this method is also the choice of precursors for obtaining the desired composite oxide materials.In this paper we present a review of the results of studies on preparation of thin-film oxide materials based on SiO2-ExOy (E - rare earth elements (REE), Sn, Mn, Co, Ni, Ca, P), TiO2-ExOy(E - Si, Sn, Co, Ni), SnO2-ExOy(E - In, Sb, Ce) and ZrO2 by sol-gel method by the team of the Department of Inorganic Chemistry of Tomsk State University during the period from 1986 till 2021. In the main part of the paper we consider sol-gel processes (hydrolysis, polycondensation, complexation) involving tetra-ethoxysilane, tetrabutoxytitanium and, acetylacetonate complexes of antimony (III) and tin (H,IV) as well as polynuclear zirconium (IV) clusters.We discuss the processes of sol production leading to its film-forming ability, micelle composition, colloidal particle size, and changes in micelle composition upon addition of tetraethoxysilane-based sol. We show the effect of the addition of salts of different nature, organic ligands, and solvents on the temporal stability of the sols. We discuss the effect of the hydrolyzing ability of the double-charged cations of nickel, manganese, and cobalt on the rate of hydrolysis and polycondensation of tetraethoxysilane. Based on the above studies, we present a generalized technological scheme for the preparation of film-stable sols by the example of tetraethoxysilane and tetrabutoxytitaniumsols. We consider the relationship between the mesh structure of tetraethoxysilane sol and the mesh structure of oxide films by the example of SiO2-CeO2, SiO2-NiO, SiO2-Mn2O3, SiO2-Co3O4. We show the effect of the rate of temperature treatment of gels on the morphology of oxide films. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Keywords
sol-gel method,
film-forming ability,
oxide films,
processes of sol production,
film morphologyAuthors
| Kuznetsova Svetlana A. | Tomsk State University | onm@mail.tsu.ru |
| Khalipova Olga S. | Tomsk State University | chalipova@mail.ru |
| Lyutova Ekaterina S. | Tomsk State University | lyutova.tsu@mail.ru |
| Borilo Lyudmila P. | Tomsk State University | borilo@mail.ru |
Всего: 4
References
Periyasamy A.P., Venkataraman M., Kremenakova D., Militky J., Zhou Y. Progress in solgel technology for the coatings of fabrics, review // Materials. 2020.V. 13 (1838). P. 1-34.
Inayat A., Reinhardt B., Herwig J., Kuster C., Uhlig H., Krenkel S., Raedlein E., Enke D. Recent advances in the synthesis of hierarchically porous silica materials on the basis of porous glasses // New J. Chem. 2016. V. 40. P. 4095-4114.
Kim H.K., Kang S.-J., Choi S.-K., Min Y.-H., Yoon C.-S. Highly efficient organic / inorganic hybrid nonlinear optic materials via sol-gel process: synthesis, optical properties, and photobleaching for channel waveguides // Chem. Mater. 1999. V. 11. P. 779-788.
Owens G.J., Singh R.K., Foroutan F., Alqaysi M., Han C.-M., Mahapatra C., Kim H.-W., Knowles J.C. Sol-gel based materials for biomedical applications // Prog. Mater. Sci. 2016. V. 77. P. 1-79.
Aleksandrova M., Jivov B., Lakov L. Summary of sol-gel synthesis of materials with elec tronic applications // Materials science. 2020. V. 3. P. 83-85.
Jmal N., Bouaziz J. Fluorapatite-glass-ceramics obtained by heat treatment of a gel synthe sized by the sol-gel processing method // Mater. Sci. Eng. 2017. V. 71. P. 279-288.
Borilo L.P., Kozik V.V., Lyutova E.S., Zharkova V.V., Brichkov A.S. Sol-gel production and properties of spherical biomaterials for the system TiO2-SiO2/CaO // Glass and Ceramics. 2019. V. 76 (7-8). P. 315-320.
Гребенщиков И.В., Власов А.Г., Непорент Б.С., Суйковская Н.В. Просветление оп тики. М. : Гостехиздат, 1946. 126 с.
Суйковская Н.В. Химические методы получения тонких прозрачных пленок. Л. : Хи мия, 1971. 230 с.
Палатник Л.С., Сорокин В.К. Основы пленочного полупроводникового материаловедения. М. : Энергия, 1973. 295 с.
Аткарская А.Б. Изменение свойств пленкообразующих растворов при старении // Стекло и керамика. 1977. № 10. С. 14-18.
Семченко Г.Д. Золь-гель процесс в керамической технологии. Харьков : БИ, 1997. 143 с.
Борило Л.П. Тонкопленочные неорганические наносистемы. Томск : Изд-во Том. ун-та, 2003. 134 с.
Козик В.В., Борило Л.П., Турецкова О.В. Тонкопленочные композиционные материалы на основе SiO2 и оксидов РЗЭ // Конденсированные среды и межфазные границы. 2002. Т. 4, № 3. С. 231-235.
Верещагин В.И., Козик В.В., Борило Л.П. и др. Полифункциональные неорганические материалы на основе природных и искусственных соединений. Томск : Изд-во Том. ун-та, 2002. 359 с.
Бричкова В.Ю., Бричков А.С., Егорова Л.А., Заболотская А.В., Иванов В.К. Исследование процессов формирования систем двойных оксидов кремния и d-металлов // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2011. № 11. С. 139-142.
Бричкова В.Ю., Козик В.В., Борило Л.П. Синтез и изучение свойств тонкопленочной и дисперсной системы SiO2-P2O5 // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307, № 6. С. 92-96.
Бричкова В.Ю. Технология и физико-химические свойства тонкопленочных материалов на основе двойных оксидов кремния и d-металлов : автореф. дис.. канд. техн. наук. Томск, 2011. 22 с.
Борило Л.П., Петровская Т.С., Лютова Е.С., Спивакова Л.Н. Синтез и физико-химические свойства тонкопленочных и дисперсных функциональных силикофосфатных материалов // Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319, № 3. С. 43-47.
Кузнецова С.А., Халипова О.С., Козик В.В. Пленки на основе диоксида церия: получение, свойства, применение. Томск : Изд. Дом Том. гос. ун-та, 2016. 200 с.
Бричков А.С. Т ехнология и физико-химические свойства тонкопленочных и дисперсных материалов на основе оксидов титана, кремния и кобальта : автореф. дис.. канд. техн. наук; Томск, 2013. 22 с.
Бричков А.С. Процессы формирования тонкопленочных и дисперсных материалов состава Ti-Si-Co-О, их газочувствительные свойства // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2013. № 4. С. 100-103.
Бричков А.С., Бричкова В.Ю., Козик В.В. Исследование процесса созревания пленкообразующих растворов на основе тетрабутоксититана, тетраэтоксисилана и шестиводного хлорида кобальта(П) // Материалы Всероссийской конференции «Химия и химическая технология: достижения и перспективы». Кемерово, 2012. С. 72-75.
Шамсутдинова А.Н., Козик В.В. Получение и свойства тонких пленок на основе оксидов титана кремния и никеля // Химия в интересах устойчивого развития. 2016. № 24. С. 699-704.
Kuznetsova S., Khalipova O., Chen Y.-W., Kozik V. The joint effect of doping with tin(IV) and heat treatment on the transparency and conductivity of films based on titanium dioxide as photoelectrodes of sensitized solar cells // Nanosystems: Phys. Chem. Math. 2022. V. 13 (2). P. 193-205.
Кузнецова С.А., Борило Л.П. Получение золь-гель методом тонких пленок оксида индия с добавками олова на стеклянных подложках // Стекло и керамика. 2013. № 12. С. 8-12.
Кузнецова С.А., Малиновская Т.Д., Зайцева Е.С., Сачков В.И. Индийолово оксидные пленки, полученные из растворов на основе ацетилацетона // Журнал прикладной химии. 2004. Т. 77, № 10. С. 1621-1624.
Кузнецова С.А., Малиновская Т.Д. Свойства нанопленок SnO2:Sb, IrnO3:Sn // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2006. Т. 3, № 4. С. 50-52.
Khalipova O.S., Kuznetsova S.A. Synthesis and properties of CeO2-SnO2films // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2013. V. 58 (8). P. 892-897.
Козик В.В., Чернов Е.Б., Борило Л.П., Турецкова О.В., Шульпеков А.М. Изучение физико-химических процессов в пленкообразующих этанольных растворах солей циркония, кобальта и свойства тонких пленок, полученных на их основе // Журнал прикладной химии. 2004. Т. 77, № 2. С. 188-192.
Козик В.В., Кузнецова С. А., Борило Л.П. Получение пленок ZrO2, HfO2, SnO2 из растворов комплексных соединений // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. Т. 11, № 5. С. 739-742.
Dyukov V.V., Kuznetsova S.A., Borilo L.P., Kozik V.V. Film-forming capacity of Sn(II), Zr(IV), Hf(IV) acetyl acetonates // Russian Journal of Applied Chemistry. 2001. V. 74 (10). P. 1636-1640.
Козик В.В., Борило Л.Н., Чернов Е.Б., Лыскова Е.А. Тонкопленочные наносистемы на основе двойных оксидов циркония и германия // Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309, № 5. С. 64-67.
Gryaznov R.V., Borilo L.P., Kozik V.V., Shul'pekov A.M. Thin SiO2-ZrO2 films prepared from solutions// Inorganic Materials. 2001. V. 37 (7). P. 698-701.
Силоксановая связь / под ред. М.Г. Воронкова. Новосибирск : Наука, 1976. 413 с.
Borilo L.P., Kuznetsova S.A., Kozik V.V., Zabolotskaya A.V., Mal'chik A.G. Synthesis and properties of films in the SiO2-Bi2O3 system // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014. V. 59 (10). P. 1065-1068.
Borilo L.P., Lyutova E.S. Synthesis and properties of bioactive thin-film materials based on the SiO2-P2O5-СaO and SЮ2-P2O5-СaO-TiO2 systems // Inorganic Materials. 2017. V. 53 (4). P. 400-405.
Petrovskaya T., Kuznetsova S., Borilo L., Kozik V. The processes in film-forming solution based on tetraethoxysilane, phosphoric acid and calcium chloride // AIP Conference Proc. 2016. V. 1772. P. 020006-1-020006-7.
Козик В.В., Петровская Т.С., Борило Л.П. Физико-химические процессы при формировании тонких пленок в системе P2O5-SiO2 // Химия и химическая технология. 2010. Т. 53 (8). С. 120-124.
Khalipova O.S., Kuznetsova S.A., Kozik V.V.Composition and properties of CeO2-SiO2 composite films prepared from film-forming solution // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014. V. 59 (9). P. 913-917.
Эрдей-Груз Т. Явления переноса в водных растворах. М. : Мир, 1976. 596 с.
Кузнецова С.А., Малиновская Т.Д., Сачков В.И. Влияние структуры комплексных частиц в пленкообразующем растворе на структуру и свойства пленок IrnO3:Sn, SnO2:Sb // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307, № 2. С. 105-108.
Кузнецова С.А., Мишенина Л.Н., Козик В.В. Формирование пленкообразующих ацетилацетоновых растворов SnCh-2H2O-SbCb и SnCl4-SbCl3 // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2013. № 6 (100). С. 131-135.
Kozik V.V., Borilo L.P., Shul'pekov A.M. Preparation, phase composition, and optical properties of thin ZrO2-Y2O3 films // Inorganic Materials. 2001. V. 37 (1). P. 47-50.
Bose A.C., Kalpana D., Thangadurai P., Ramasamy S. Synthesis and characterization of nanocrystalline SnO2 and fabrication of lithium cell using nano-SnO2 // Power Sources. 2002. V. 107. P. 138-141.
Yang Y., Zhang Q., Zhang B., Mi W.B., Chen L., Li L., Zhao C., Diallo K.E.M., Zhang X.X. The influence of metal interlayers on the structural and optical properties of nano-crystalline TiO2 films // Appl. Surf. Sci. 2012. V. 258. P. 4532-4537.
Kaleji B.K., Sarraf-Mamoory R. Nanocrystalline sol-gel TiO2-SnO2 coatings: preparation, characterization and photo-catalytic performance // Mater. Res. Bull. 2012. V. 47. P. 362-369.
