纳米科学与技术4

1.第四章纳米材料的制备方法。2.纳米材料制备方法分类：1 .根据是否发生化学反应，纳米材料的制备方法一般分为两类：物理方法和化学方法。2.根据制备状态的不同，纳米材料的制备方法可分为气相法、液相法和固相法。3、根据反应物的状态分为干法和湿法。大多数方法具有粒径均匀、粒径可控、操作简单等优点。有些还具有可生产材料范围窄和反应条件苛刻的缺点，如高温、高压、真空等。3、纳米粒子制备方法、物理方法、化学方法、粉碎方法构造方法、沉淀法、水热溶胶-凝胶法、冷冻干燥法、喷雾法、干法粉碎湿法、气体凝聚法、溅射法、氢电弧等离子体法、共沉淀法、均相沉淀法、水解沉淀法、纳米粒子合成方法分类、气相反应法、液相反应法、气相分解法、气相合成法、气固反应法、4、纳米粒子制备方法、气相法、液相法、沉淀法、 水热法、溶胶-凝胶法、冷冻干燥法、喷雾法、气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、加热蒸发法、混合等离子体法、共沉淀法、复合沉淀法、水解沉淀法、纳米粒子合成方法的分类、固相法、粉碎法、干法粉碎湿法粉碎法、化学气相反应法、气相分解法、气相合成法、气固反应法、物理气相法、热分解法、固相反应法、5，4.1气相法制备纳米粒子，1。 定义：气相法是指直接利用气体或通过各种手段将物质转化为气体，使其在气体状态下发生物理或化学反应，最后在冷却过程中凝结生长形成纳米粒子的方法。2.气相法主要有以下特点：表面清洗；(2)粒度均匀，粒度分布窄；(3)粒度易于控制；(4)良好的颗粒分散性。优点：通过控制气相法可以制备出液相法难以制备的金属碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超细粉末。4.通常有以下加热源：1)电阻加热；2)等离子体喷射加热；3)高频感应加热；4)电子束加热；5)激光加热；6)电弧加热；7)微波加热。不同加热方法制备的超细颗粒在数量、种类、粒径和分布上存在差异。电阻加热：(电阻丝)螺旋纤维或船形电阻加热器，用于电阻加热。金属：如铬镍系和铁铬系，温度可达1300；钼、钨、铂，温度高达1800；非金属：碳化硅(1500)，石墨棒(3000)，二硫化钼(1700)。8，9，有两种情况不能用这种方法加热和蒸发：两种材料(加热元件和蒸发的原料)在高温下熔化后形成合金。(2)被蒸发的原料的蒸发温度高于加热元件的软化温度。目前，该方法主要用于蒸发银、铝、铜、金等低熔点金属。高频感应：电磁感应产生的热量。类似于变压器热损失。高频感应加热利用金属材料在高频交变电磁场中产生涡流的原理，通过感应涡流直接加热金属工件内部，因此不存在加热元件的能量转换过程，也不存在转换效率低的问题。加热电源不与工件接触，因此没有传导损耗。加热电源的感应线圈发热量极低，不会因过热而损坏线圈，使用寿命长；加热温度均匀，加热迅速，效率高。激光加热：高功率激光束用于照射子反应物，反应物分子或原子强烈吸收入射的激光光子，并被加热和活化在高真空中，等离子体喷射：电离产生的等离子体气体用于加热原料。微波加热微波是电磁波，频率范围从300兆赫到300千兆赫(波长1米到1毫米)。通常，电介质材料由极性分子和非极性分子组成。在微波电磁场的作用下，极性分子从最初的热运动状态转变为按照电磁场的交变方向排列和取向。产生类似的摩擦热。在这个微观过程中，交变电磁场的能量在介质中转化为热能，导致介质温度宏观上升。可以看出，微波加热是由电介质材料本身的电磁场能量损失引起的加热。对于金属材料，电磁场不能穿透到内部，而是被反射，所以金属材料不能吸收微波。水是吸收微波的最佳介质，所以任何含水的物质都必须吸收微波。特点：加热速度快；均匀加热；节能高效；易于控制；选择性加热。定义：气体冷凝是一种在惰性气体如氩气和氮气中，在低压下加热金属，蒸发后形成超细颗粒(1-1000纳米)或纳米颗粒的方法。2.气体冷凝法的研究进展：由RyoziUyeda和他的合作者在1963年开发，即在纯惰性气体中通过蒸发和冷凝获得更清洁的纳米粒子。20世纪80年代初，Gleiter等人首先提出用气体凝聚法制备表面洁净的纳米粒子，然后在超高真空下压制成多晶(纳米微晶)。4.1.1低压气体中的蒸发法，气体冷凝法，16，3。气体冷凝法原理整个过程在超高真空室内进行。用分子涡轮使其真空度达到0.1帕以上，然后充入低压(约2千帕)纯惰性气体(氦或氩，纯度为-99.9996%)。待蒸发的物质(如金属、二氧化硫、氯化钠等离子体化合物、过渡金属氮化物、易升华的氧化物等)。)被放置在坩埚中，并被加热装置如钨电阻加热器或石墨加热器逐渐加热和蒸发，以产生原始物质烟雾。由于惰性气体的对流，烟雾向上移动并接近充满液氦的冷却棒(冷阱，77K)。在蒸发过程中，由原始物质发射的原子与惰性气体原子碰撞，迅速失去能量并冷却，导致原始物质蒸汽中的高局部过饱和，从而导致均匀成核过程。在接近冷却棒的过程中，原始物质蒸汽首先形成原子簇，然后形成单个纳米粒子。在靠近冷却棒表面的区域，单个纳米粒子聚集并长大，最终聚集在冷却棒表面。纳米粉末是用聚四氟乙烯刮刀切割收集纳米粉末得到的。18，4。通过气体冷凝影响纳米粒子粒度的因素：惰性气体压力、蒸发物质的分压，即蒸发温度或速率、惰性气体的原子量。实验表明，颗粒随着蒸发速率的增加(相当于蒸发源温度的增加)或原始物质蒸汽压的增加而变大。在第一个近似值中，颗粒大小与lnPv成比例(Pv是金属蒸汽的压力)。(随着原料气体浓度的增加，碰撞的机会增加，颗粒尺寸增加)。(图)随着惰性气体压力的增加，颗粒变大。原子质量大的惰性气体会产生大颗粒。(碰撞机会增加，冷却速度增加)。20，21，简而言之，纳米粉末粒度的控制1可以通过调节惰性气体压力、温度和原子量来实现；2蒸发物质的分压，即蒸发温度或速率等。控制纳米粒子的大小；随着蒸发速率的增加(相当于蒸发源温度的增加)，颗粒变得更大，原始物质的蒸汽压增加，颗粒变得更大，惰性气体的原子量增加，或者其压力增加，并且颗粒近似成比例地增加。22，5。气体冷凝法的优点：表面清洁、粒度均匀、粒度窄在气体中蒸发法中，初始纳米粒子聚集并结合形成纳米粒子(粒径为20-30纳米)，生成的磁性合金连接成链状(纳米粒子由平均粒径为20纳米的铁钴合金组成)。24.实验原理利用电阻加热法在真空状态下制备纳米粉体，惰性气体氩和氢，金属、合金或陶瓷通过电阻加热元件蒸发气化，然后与惰性气体碰撞，冷却冷凝形成纳米粒子。25、惰性气体蒸发法制备纳米铜粉，实验步骤1，检查设备的气密性，检查循环冷却系统部件是否畅通。2.打开机械泵将空气泵入真空室以达到更高的真空度，并关闭真空计。关闭机械泵，给机械泵放气。3.打开氩气和氢气管道阀门，用低压纯氩气填充真空室，并控制合适的比例。关闭通道阀，关闭气瓶减压阀和主阀。4.打开循环冷却系统。5、打开主电源和蒸发开关，调整接触调压器，使工作电压从0伏慢慢上升到100伏，通过观察窗观察真空室中的现象；钼舟逐渐变红变热，钼舟中的铜片开始熔化，随后产生烟雾并上升。在准备过程中，仔细观察真空室压力表的指示。如果压力明显增加，找出原因并及时解决。7.当钼舟内的铜片即将蒸发时，通过接触调压器将工作电压降低至50伏，然后启动进料装置，并向铜片舟内加入少量铜片。然后将工作电压产生到70伏，并继续准备。8.重复步骤7，直到进料装置中的铜片完全准备好。9.准备完毕后，关闭蒸发电源和总电源。设备完全冷却后，关闭循环冷却系统。打开真空室，收集纳米粉末。27，6。一维纳米材料的气相合成一维纳米材料是指一维方向上的纳米尺度的纳米材料，其长度比二维方向上的其他维度大得多，甚至是宏观尺度的纳米材料。纵横比小的称为纳米棒，纵横比大的称为纳米线。纳米线的气相生长机理，28，(1)，气-液-固(VLS)生长机理的一般要求VLS生长机理必须有催化剂的存在。在合适的温度下，催化剂可以与生长材料的组分熔融形成液体共晶，并且生长材料的组分从气相中连续获得。当液体中的熔融组分达到过饱和时，晶须将沿固液界面的优选方向沉淀，形成线性晶体。29、使用催化剂生长纳米线的过程。显然，催化剂的大小将在很大程度上控制晶须生长的大小。实验证明，这种生长机制可以用来制备大量的单晶、二元化合物甚至更复杂的单晶。此外，用这种方法生长的单晶基本上没有位错，生长速度快。通过控制催化剂的尺寸，可以制备大量的准一维纳米材料。例如，铁和金催化合成半导体纳米线硅；镓催化合成二氧化硅。30岁，半图像附着2纳米线生长硅纳米线：(a)低放大率半图像生长的产品，显示出阵列形状（胡罗卜形)棒(CSRs)在硅衬底上生长；(b)高倍放大半像(a)，呈剑麻状（剑麻)结构。注：theachcsrhasaliquidgaballatitstip，31，semi magesoftheinnersstructureofthecsrs :(a)a individualcsrusedasanexampletoshowdthesection(剖面)沿长轴方向(1-1，2-2)或平行于长轴方向(3-3)；（二)半影像解剖（切开的)CSRatitstipregion，showinglargequantityofnanowiresgrowingoutfromthelowerballowellsurfaceofGaball；(c)高放大倍数半成像，从boxedarian(b)到withtheoxidelayercomposedofGa，Si，andO(d)横截面为csrvieweedallong 1-1方向，显示管状结构的hosewallscomposedofcloselybackedanhhighlightelignednanowireswheretheandsofthenanowirespectivelconstructthetube sinnerandinterwalls；32，(e)横截面为2-2方向的srvieweedalongthe2，displayinganangleof45 betweegrowthdirectionofthenanoweries和theaxiosofthetube(f，g)两个横截面视图，沿3-3方向，显示两个kindsofinnerstructuresofthecsrs。theimagein(f)showsaccontinunuscentraholailil like(阶梯状)结构；theimagin(g)显示了类似于钟形的连续的（倒置的铃)空腔(a)、(b)和(d)-(g)中的箭头显示箭头方向33，TemImageSofthesio2纳米线3360(a)BundLeofsio2 NanowiresGrownSilicOnWafe，显示了拖把外壳(右上侧)和平均高度为20纳米(下限)的极细的纳米线；(b)二氧化硅纳米线基板，显示平均直径为60纳米的空心纳米线（插图)和空心纳米线34岁，proposedgrowthmodforsrsibleginnerstructures .(a)the positionofgangowdersproduccesavaporoftrapiddlycondensesintoliquidgagclusters。theaclusterthedeptiontotheserfaceofthesiliconwaferandgrowtintosmallgaballsatheupcomingaclustersareabbhedfromthepor .(b)液化天然气收集装置(蚀刻theconfwafertoformga-Sialloy .thethega-sialloyaltealtatesintothegastore