纳米材料化学制备.pdf

西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 王海容 whairong 西安交通大学精密工程研究所 Institute of Precision Engineering XJTU 西安交通大学精密工程研究所 Institute of Precision Engineering XJTU 纳米材料制备 纳米材料的化学制备 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 纳米材料纳米材料 纳米材料的定义和分 类 纳米材料结构 纳米材料的特性 纳米材料制备 纳米材料应用 纳米加工纳米加工 电子束曝光 聚焦离子束加工技术 纳米压印 扫描隧道显微镜 原子力显微镜 超精密加工 纳米测量纳米测量 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 X射线衍射分析 扫描探针显微镜 纳米材料制备 化学法 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 化学法有化学法有沉淀法 溶胶 凝胶法 微乳液法 溶液热反应法 水 热法 非水溶液热合成 溶液蒸发法 溶液还原法 电化学 法 光化学合成法 超声合成法 辐射合成法 模板合成法 有 序组装技术 化学气相反应法 包括激光诱导化学沉积 LICVD 等离子体诱导化学气相沉积 PICVD 热化学气相沉积等 火 焰水解法 超临界流体技术 熔融法等 化学方法主要用于化合物尤其是多元化合物纳米粒子的制备 具有 使用设备简单 反应条件比较缓和 原料广泛使用设备简单 反应条件比较缓和 原料广泛等特点 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 一 沉淀法一 沉淀法 沉淀法包括直接沉淀法 均匀沉淀法和共沉 淀法 直接沉淀法 均匀沉淀法和共沉 淀法 直接沉淀法 直接沉淀法 进行沉淀操作得到所需的氧化 颗粒 均匀沉淀法 均匀沉淀法 在金属盐溶液中加入沉淀剂溶 液时 不断搅拌 使沉淀剂在溶液里缓慢 生成 消除了沉淀剂的不均匀性 共沉淀法 共沉淀法 是在混合的金属盐溶液中添加沉 淀剂 即得到几种组分均匀的溶液 再进 行热分解 图 1是一个共沉淀的例子 图1 用草酸盐进行化合物沉 淀的合成装置 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 沉淀方法多样性 我国学者周根陶等利用转移沉淀法制备了多种超 细粉 其原理是根据难溶化合物溶度积 KSP 的不同 通过改变沉 淀转化剂的浓度 转化温度以及借助表面活性剂来控制颗粒生长和 防止颗粒团聚 获得单分子超微粉 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 二 溶胶 凝胶法 Sol Gel 二 溶胶 凝胶法 Sol Gel 溶胶 凝胶法溶胶 凝胶法 是指一些易水解的金属化合物 无机盐或金属醇 盐 在饱和条件下 经水解和缩聚等化学反应首先制得溶胶 继 而将溶胶转为凝胶 再经热处理而成氧化物或其他化合物固体的方 法 其示意图如下图2 按产生溶胶 凝胶过程机制 其可分为三种类型 传统胶体型 无机聚合物型 络合物型 相应凝胶形成过程如图3所示 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 图3溶剂 凝胶法示意图 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 图3不同溶胶 凝胶过程中凝胶的形成 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 溶胶 凝胶过程根据原料的种类原料的种类可分为 有机金属醇盐法 无机盐法 有机金属醇盐法 无机盐法 以金属有机醇盐金属有机醇盐为原料的水解和缩聚反应式可表示为 水解反应 缩聚反应 式中M代表金属 R代表烷基 总反应式可表示为 无机盐法无机盐法是通过无机盐的水解制备溶胶 向溶液中加入碱液 如氨水 使得这一水解反应不断向正方向进行 并逐 渐形成M OH n沉淀 将沉淀物充分水洗 过滤 并分散于强酸溶液中便得到稳 定的溶胶 经加热脱水处理变成凝胶 干燥 焙烧后形成金属氧化物粉体 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 该方法该方法优缺点优缺点如下 如下 优点 优点 粉料 特别多组分粉料 制备过程中无需机械混合 不易引进杂质 化学均匀性好 由于溶胶 凝胶过程中 溶胶由溶液制得 化合物在 分子级水平混合 故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致 颗粒细 胶粒尺寸小于0 1 m 该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分 不溶性颗粒均匀地分散在含 不产生沉淀的组分的溶 液中 经胶凝化 不溶性组分可自然地固定 在凝胶体系中 不溶性组分颗粒越细 体系化学均匀性越好 掺杂分布均匀 可溶性微量掺杂组分分布均匀 不会分离 偏析 比 醇盐水解法优越 合成温度低 成分容易控制 粉末活性高 工艺 设备简单 缺点 但原材料价格昂贵 烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低 但凝胶颗粒之间烧结性差 即体材料烧结性不好 干燥时收缩大 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 溶胶 凝胶法可制备制备 纳米氧化物粉末 纳米薄膜 是此方法最有前途的应用 块体材料 其中陶瓷粉体多用此法制得 具有较高的烧结性 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 三 微乳液法三 微乳液法 原理 原理 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下会形成微乳液 在微泡中 经 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下会形成微乳液 在微泡中 经成核 聚结 团聚 热处理成核 聚结 团聚 热处理后得纳米粒子 后得纳米粒子 特点特点 所得粒子的 所得粒子的单分散和界面性好 单分散和界面性好 族半导体纳米粒子多用 此法制备 族半导体纳米粒子多用 此法制备 更多解释更多解释 微乳液通常是有表面活性剂 助表面活性剂 通常为醇类 油类 通常为碳氢化合物 组成的透明的 各向同性的热力学稳定体系 微乳液中 微小的 水池 Water Pool 为表面活性剂和助表面活性剂所构成的单分子层包围成的微乳颗粒 其大小在 几至几十个纳米之间 这些微小的 水池 彼此分离 就是 微反应 器 microcreator 它拥有很大的界面 有利于化学反应 该法通常是利用油相包着水相 W O 的微乳液体系 金属盐类可以溶解在水相中 形成以油相为连续相 中间分散着非常小而均匀的水核 在这些水核中发生沉淀反应 产生微粒 水核中发生沉淀反应 产生微粒 能在极小微区内控制颗粒的均匀生长 可得到良好单分散性的纳米粒子溶 胶 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 图4 微乳液制备纳米微粒示意图 图5 微乳液法的一般工艺流程 例子 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 四 溶液热反应法四 溶液热反应法 原理 原理 溶液热反应法是利用在溶液中进行的高温反应 包括在水溶 液中进行的水热法和非水溶液合成技术 水热法是通过高温高压下 的水溶液中 进行化学反应制备无机纳米粉体的一种先进而成熟的 技术 即在水解条件下加速离子反应和促进水解反应 特点特点 工艺流程简单 条件温和易于控制 分类分类 根据水热化学反应的类型 水热法可分为氧化 还原 沉 淀 分解 结晶 合成等 应用 应用 应用于纳米材料 多孔材料等合成中 用该方法可制备物相 均匀 纯度高 晶型好 单分散 形状及尺寸可控的纳米微粒 适 于纳米金属氧化物和金属复合氧化物陶瓷粉末的制备 已可工业化 制备的有ZrO2 ZrO Yb O Fe O3 BaTi等 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 图6 A B C分别为纳米金刚石样品的透射电子显微镜照片 电子衍射照片和 扫描电子显微镜照片 其中A图中的标尺为1 m C图中的标尺为60 m 我国科学家用苯热法制备了纳米氮化镓微晶 在高压釜中用中温 70 催化热解法使四氯化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉 论文发表在1998 年的 科学 杂志上 美国 化学与工程新闻 杂志为此特别发表题为 稻草变黄金 从四氯化碳 CCl4 制成金刚石 一文 予以高度评价 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 五 溶液蒸发法五 溶液蒸发法 原理 它用于盐溶液快速蒸发 升华 冷凝和脱水过程 避免了分凝 作用 能制得均匀盐类粉末 分类 冷冻干燥法 喷雾干燥热分解法 火焰喷雾法 图7 喷雾干燥装置的模型图 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 冷冻干燥法 冷冻干燥法 原理原理 将盐的水溶液造成液滴 趁液滴滴下的瞬间降温冻结 在低温减压下升华脱水 再 经热分解形成纳米微粒 特点 特点 本法可较好地消除粉料干燥过程中的团聚现象 由于含水物料在结冰时可使固相颗 粒保持在水中时的均匀状态 升华时 由于没有水的表面张力作用 固相颗粒之间不会 过分靠近 从而避免了团聚产生 应用 应用 目前该法已制备出MgO ZrO2及BaPb Bi O3超微粒子 喷雾干燥热分解法 喷雾干燥热分解法 原理与特点 原理与特点 通过喷雾干燥 焙烧和燃烧等方法 将盐溶液通过雾化器雾化 快速蒸发 升华 冷凝和脱水过程 避免了分凝作用 得到均匀盐类粉末 喷雾干燥装置的模型如图 7所示 应用 日本新技术事业集团采用此法生产了Y2O3 ZrO2 其纯度99 1 平均粒径为30nm 火焰喷雾法 火焰喷雾法 原理 是将金属盐溶液和可燃液体燃料混合 以雾化状态喷射燃烧 经瞬间加热分解 得 到氧化物和其他形式的高纯纳米微粒 应用应用 制备出如CoFe2O4 MgFe2O4 Cu2Cr2O4等纳米粉体材料 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 六 溶液还原法六 溶液还原法 原理 原理 指在溶液中 利用合适的还原剂将金属离子直接还原为金属纳米粒子的 方法 有人又称之凝聚态法 凝聚态法 方法方法 如Ni Cu Co等金属纳米微粒的制备金属纳米微粒的制备 通常需要在AgNO3 PdCl2等成 核剂的催化作用下 在明胶 十二烷基磺酸钠等表面活性剂的保护下 利用水溶 液中金属离子与还原剂的自催化氧化还原反应胶体金颗粒通常用氯金酸根离子在 醇钠 硼氢化钠或柠檬酸的作用下制得 应用应用 常用于Ni Cu Co Fe Au Ag等纳米金属粒子的制备 特点 尺寸分布窄 分散均匀尺寸分布窄 分散均匀 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 七 七 电化学电化学沉积法沉积法 原理 原理 利用电化学反应制备纳米材料与纳米结构的电化学沉积法 其纳米 结构的获得 关键在于制备过程中晶粒成核与生长的控制 通过控制电解参 数 可制取不同形状 不同粒度及分布 不同组分不同形状 不同粒度及分布 不同组分的纳米材料 分类分类 直流电镀 脉冲电镀 无极电镀及共沉积等技术 直流电镀 脉冲电镀 无极电镀及共沉积等技术 应用 应用 合成具有纳米结构的高纯度的纯金属 合金 氧化物纳米粉末和纳 米薄膜以及金属 陶瓷复合涂层和块状材料 电化学制备的纳米材枓在抗腐 蚀 抗磨损 磁性 催化 储氢及磁记录 抗腐 蚀 抗磨损 磁性 催化 储氢及磁记录等方面均具有良好的应用前景 特点特点 十分经济而又简单十分经济而又简单的工艺手段 成本低 纯度高 粒度小 适于大成本低 纯度高 粒度小 适于大 规模生产规模生产 能制得很多其他方法不能或难以制得的金属粉末 尤其是电负性 很大的金属粉末 主要有Fe Co Ni等 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 东南大学顾宁 赵冰等人用电化学阳极氧化法制备了有序多孔氧化铝膜多孔氧化铝膜 分别由底部 的阻挡层和上部的多孔层两部分构成 如图8所示 孔径可调控的范围为5 200nm 孔 密度范围为109 1011个孔 cm2 孔深范围为1 100 m 图8 多孔氧化铝膜的AFM 原子力显微镜 形貌 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 八 八 光化学光化学法法 原理 原理 在光照下 通常为紫外光 200nm 基于分子对特定波长的光吸收 引起分子的电离 进而引发化学反应生成纳米粒子 常利用金属盐的光化学还 原反应制备金属纳米粒子 金属纳米粒子 光化学法制备的必要条件光化学法制备的必要条件 体系中必须含有在紫外区域能够吸收并释放 出电子的物质 紫外区域能够吸收并释放 出电子的物质 某些阴离子 如Cl SO42 等在稀溶液中 能够依据电荷向 溶剂转移的过程中被紫外光所电离 提供电子给金属阳离子提供电子给金属阳离子 在稳定剂如 PA PAAM混合物的稳定下 获得金属的原子团簇或纳米粒子 如镍 银等 应用 应用 常用于制备核壳结构核壳结构的金属复合纳米粒子 选择选择 此外还可以采用光还原法光还原法 即将半导体浸渍在贵金属盐和某些有机物如 醋酸 甲醇等溶液中 然后在紫外光照射下 贵金属被还原而沉积在半导体表 面上 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 九 九 辐射化学辐射化学法法 原理 原理 常温下采用 等射线辐照金属盐的溶液可以制备出纳米 微粒 工艺描述 工艺描述 制备纯金属纳米粉体时 采用蒸馏水和分析纯试剂配制成相应 金属盐的溶液 加入表面活性剂 如十二烷基硫酸钠 C12H25NaSO4 作为 金属胶体的稳定剂 加人异丙醇 CH3 2CHOH 作OH自由基消除剂 必要 时 加入适当的金属离子络合剂或其他添加剂 调节溶液pH值 在溶液 中通入氮气以消除溶解的氧 配制好的溶液在2 59 1015Bq的60Co源场中 辐照 分离产物 用氨水和蒸馏水洗涤产物数次 干燥即得金属纳米 粉 应用 用此法曾经获得了Cu Ag Au Pt Pd Co Ni Cd Sn Pb Ag Cu Au Cu Cu2O纳米粉体以及纳米Ag 非晶SiO2 复合材料 参考 参考 表1为 射线辐照制备纯金属纳米粉的溶液配比 辐射剂量和 平均粒径 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 表1 用 射线辐照法制备纳米金属微粉的溶液成分 辐照剂量 和平均粒径 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 辐射化学法特点 优点 辐射化学法特点 优点 不需要高温和高压条件 也不需要低温冷却等 在常温常压下即可操作 不需要高温和高压条件 也不需要低温冷却等 在常温常压下即可操作 不需要在体系中加入还原剂 电离辐射水溶液体系自然产生具有极高还原能力的 水合电子和H 自由基 不需要在体系中加入还原剂 电离辐射水溶液体系自然产生具有极高还原能力的 水合电子和H 自由基 制备工艺简单 周期短 制备成本低 制备工艺简单 周期短 制备成本低 产品粒径容易控制 产品粒径容易控制 产率高 贵金属纳米粉末产率可达到95 以上 活泼金属粉末也可达到70 以 上 产率高 贵金属纳米粉末产率可达到95 以上 活泼金属粉末也可达到70 以 上 缺点 效率较低效率较低 控制粒度大小而加入体系的表面活性剂裹在纳米颗粒表 面 要多次清洗才能获得较为纯净的产品 从而导致产率降低 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 十 十 超声化学超声化学方法方法 原理 原理 利用超声空化能量加速和控制化学反应 进而进行纳米材料制备 超声空化 超声空化 指存在于液体中的微气核 空化核 在声场的作用下振动生长和崩溃闭合的 动力学过程 在空泡崩溃闭合时 泡内的气体或蒸气被压缩而产生高温及局部高压并伴 随着发光 冲击波等现象 在超声场中液体中的微小气泡首先经历气泡的振荡及生长过 程 既稳态空化稳态空化 然后是气泡的压缩和崩溃过程 即瞬态空化瞬态空化 应用 应用 已用于生产无定形铁 非晶态铁 无定形铁 非晶态铁 特点特点 只需低超声功率 100W 而每小时可产生克数量级的超微粒 其性 能价格比是目前尚无它法能与之媲美的 具有潜在好的应用前景 例子例子 中科院物理所林金谷等用超声分解法制备了Fe Cr合金纳米微粒 观 察了粉末的结构 形态 并研究了不同温度处理后的磁性 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 十一 化学气相反应法 CVD 十一 化学气相反应法 CVD 原理 又称化学气相沉积法化学气相沉积法 Chemical Vapor Deposition 简称CVD 是指直接 利用气体或通过各种手段将物质变为气体 让一种或数种气体通过热 光 电 磁和化学等的作用而发生热分解 还原或其他反应 从气相中析出纳米 粒子 冷却后得到纳米粉体 应用 应用 可以制取金属纳米粉末 金属和非金属的氢 氧 氮 碳化物的纳米 粉末 以及各类纳米薄膜 特点 制得的微粒大小可控 粒度均匀 无粘结 已经具有规模生产价值 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 将CVD与其他物理技术成功结合 CVD按激发源的不同又可分为 将CVD与其他物理技术成功结合 CVD按激发源的不同又可分为 等离子体诱导化学气相沉积 PICVD 等离子体诱导化学气相沉积 PICVD 激光诱导化学气相沉积 LICVD 激光诱导化学气相沉积 LICVD 高温气相裂解法等高温气相裂解法等 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 等离子体诱导化学气相沉积 PICVD 等离子体诱导化学气相沉积 PICVD PICVD原理 PICVD原理 指利用等离子体来诱导反应气体发生化学反应 通常是 指金属在反应性气氛中 通过电弧等离子体或高频等离子体的高温作 用使其熔化 蒸发 从而与周围反应性气体 O2 N2 H2 CH4 NH3等 发生反应形成金属化合物纳米粒子 不同等离子体的特点 不同等离子体的特点 高频等离子体高频等离子体比电弧等离子体电弧等离子体的温度高 等离子体区域大 更易 控制 原料在等离子体区域中停留时间长 有利于各种反应的充 分进行 在复合材料制备方面更具有优越性 低温等离子体法低温等离子体法是利用易挥发的化合物作源 令其通过高频低温 等离子区 在250 500 下经过热处理来获得纳米粒子 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 1 融原料 2 原料蒸汽 3 等离子体或反应气体 4 电极 图9 等离子体法制备纳米微粒的原理 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V PICVD合成纳米微粒的主要过程主要过程 先将反应室抽成真空 充入一 定量纯净的惰性气体 然后接通等离子体电源 同时导入各路反 应气与保护气体 在极短的时间内 反应体系被等离子体高温焰 流加热 并达到引发相应化学反应的温度 迅速完成成核反应 生成的粒子在真空泵抽运下 迅速脱离反应区被收集器捕集 相应的制备过程相应的制备过程 等离子体产生 原料蒸发 化学反应 冷却凝 聚 颗粒捕集和尾气处理等过程 图10 等离子体法制备纳米微粒实验流程图 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 激光诱导气相沉积 LICVD 法 LICVDLICVD原理 以激光 如CO2激光 准分子激光 YAG yttrium aluminum garnet Ar 等 作为加热源或激励光源 利用反应气体分子 或光敏剂 分子 对特定波长激光束的吸收 引起反应气体分子的激光分解 激光裂 解 激光光敏化和激光诱导化学反应 在一定激光功率密度 反应池压 反应气体配比和流速 反应温度等工艺条件下 获得超细粒子空间成核和 生长 更多选择更多选择 该法也可通过使液体雾化液体雾化 用激光对雾化体或液体与气体的混合物进行诱导反 应 来获得纳米材料 激光诱导气相沉积法多采用大功率连续波的CO2激光器 有时也使用脉冲激光 器 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 1 反应气 2 保护气 3 激光束 4 反应区 5 反应焰 6 冷壁 7 收集室入口 图11激光合成纳米微粒原理 图 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 图12带有连续CO2激光器的装置 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 图13带有脉冲CO2激光器的装置 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V LICVD特点 优点优点 产物成分可通过选用先驱气体的不同配比来精确控制 因此 它可制备用 其他方法难以制备的具有多元素组成的纳米材料 产物成分可通过选用先驱气体的不同配比来精确控制 因此 它可制备用 其他方法难以制备的具有多元素组成的纳米材料 粒度形貌可通过调节激光功率密度 反应气体流速以及反应池压力等参数 控制 粒度形貌可通过调节激光功率密度 反应气体流速以及反应池压力等参数 控制 用该法制备的纳米粒子 无团聚 表面活性好 粒度分布均匀 用该法制备的纳米粒子 无团聚 表面活性好 粒度分布均匀 原材料消耗大 由于反应物以很高的速度喷出 导致有一部分先驱气 体来不及与激光相互作用便出了反应区 激光利用率低 激光穿过先驱气体流场后 还有较大余量的剩余 由于激光功率的限制 使该法的制备产率很低 反应必须在低压环境下进行 使制备装置复杂化 价格昂贵 激光的运行成本高 导致产物的成本较高 限制在工业生 产中的应用 缺点缺点 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 十二 模板合成法十二 模板合成法 原理原理 利用结构基质结构基质作为模板合成 结构基质包括多孔氧化铝膜 纳米碳 管 多孔玻璃 沸石分子筛 大孔离子交换树脂 高聚物 生物大分子 反向胶束等 通过合成适宜尺寸和结构的模板作为主体 利用物理或化学 方法向其中填充各种金属 非金属或半导体材枓 从而获得所需特定尺寸 和功能的客体纳米结构阵列 如自组装结构 实心纳米线或空心纳米管 单组分材料或复合材料甚至包裹生物材料等 特点特点 这种方法对制备条件要求不高 操作较为简单 通过调整模板制备 过程中的各种参数可制得粒径分布窄 粒径可控 易掺杂和反应易控制的 超分子材料 从某种程度上能真正实现对纳米结构的有效控制 5 m5 m 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 图14 Au纳米丝模板合成过程图14 Au纳米丝模板合成过程 用AAO Al 模板通过控制沉积时间 制 备出不同长径比的金纳米材料的TEM 照片 孔直径d 10nm 长径比 l d 分别为 1 3 500 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 1 镀金的模板膜 2 电聚合聚吡咯膜 3 化学聚合聚吡咯纳米管 4 填装酶 5 加封 6 将模板膜溶解掉 图15 模板合成固化微胶囊组的示意图 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 图16碳纳米管模板法合成碳化物纳米线 MO表示易挥发得金属氧化物 MX4表示易挥发的金属卤化物 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 十三 火焰水解法十三 火焰水解法 该方法是该方法是利用挥发性化合物在氢氧焰中进行的反应 控制适当的条 件形成氧化物纳米粒子 具有纯度高 有化学柔性 能制备复合氧化物纯度高 有化学柔性 能制备复合氧化物等特点 已制备出制备出了粒度为 50nm的SiO2 Al2O3 NiO GeO2 V2O5等 西安交通大学精密工程研究所Institute of Precision Engineering Xian Jiaotong University MEMS与纳米技术之纳米技术VMEMS与纳米技术之纳米技术V 十四 熔融法十四 熔融法 原理 1 原理 1 熔融法主要指玻璃化法 直接将Cu2O CdS Cd2Se Sb2S3等熔入玻 璃 经热处理形成纳米质点 原理2原