VLS法制备一维纳米材料课件

1、用VLS机理 制备一维纳米材料,报告人: 岳广兵 王家治、岳广兵、陈本松,1,学习交流PPT,一 气-液-固（ V-L-S ）机理概述： 二十世纪六十年代，Shyne和Milewesk提出了晶须生长的VLS机理,并首先由Vagner和Ellis用于合成了SiC晶须。 之后,人们用此机理合成了各种各样的晶须.随着纳米尺度材料研究的兴起,人们又开始用这种机理来合成一维纳米材料. 现在这种方法已被广泛用来制备各种无机材料的纳米线，包括元素半导体（Si、Ge），-V族半导体（GaN、GaAs、InAs等），-V族半导体（ZnS、ZnSe、CdS、CdSe），氧化物（ZnO、氧化镓、二氧化硅）等 V-L

2、-S法是一维纳米材料制备中最主要的机理之一。,2,学习交流PPT,二 生长机理： 在适当温度下，催化剂纳米团簇与生长材料的组元互溶形成纳米级共溶液滴。 共熔液滴持续吸入生长材料的组元蒸气，以至达到过饱和，促成了生长材料的晶体晶核在液滴上生成。 蒸气继续被吸入，晶体在已生成的固液界面处不断析出，推动固液界面移动，从而长出一维纳米材料,3,学习交流PPT,用VLS机理制备Ge纳米线示意图,4,学习交流PPT, 形成纳米级共溶液滴, 成核过程 轴向生长,Au催化作用下Ge纳米线生长的原位TEM像,5,学习交流PPT,Au-Ge二元系相图,6,学习交流PPT,制备特点 1 催化剂纳米团簇的尺寸在很大程

3、度上决定了所生长一维纳米材料的直径 2 可利用相图选择适宜的催化剂，制备温度所处范围 也可根据相图来确定,7,学习交流PPT,四 常用的催化剂与可制备的材料,Au：Si、Ge元素纳米线，ZnO、氧化镓等氧化物纳米线， CdS、ZnS纳米线 Fe：Si 、Ge元素纳米线，SiC 纳米线、 GaN纳米线 Ni: Si纳米线、GaN纳米线,8,学习交流PPT,五 制备中的两个重要问题,B 如何提供出所需的蒸气？,A 如何得到纳米级的催化剂团簇？,9,学习交流PPT,A1 溶液干燥法： 氯金酸 + 柠檬酸钠 Au纳米颗粒溶液 将溶液滴至基底上、干燥、反复数次,A2 模板限域法：交流电化学沉积法在氧化铝

4、模板底部引入金纳米颗粒 在贯通的氧化铝模板一面喷一层金膜 溶胶凝胶法制备包含氧化铁纳米颗粒的氧化硅介孔体系，还原氧化铁的Fe纳米颗粒,10,学习交流PPT,A3 蒸镀法：将金属催化剂纳米级薄膜蒸镀在基体上，薄 膜自组织 蒸镀Au薄膜在GaAs基体上，可形成大量的 纳米级的Au-As合金液滴 制备Zn0纳米线时，将Au薄膜蒸镀在蓝宝石衬底上，形成纳米级的Au-Zn合金液滴,A4 高温快速加热法：激光烧蚀Si-Fe目标靶，产生蒸气，迅 速浓缩成液态纳米团簇,11,学习交流PPT,B1 激光烧蚀：用含少量的Au、Fe或Ni的硅粉作为靶，以Ar气作为保护气体，在石英管内，在一定温度下激光烧蚀即可制得S

5、i纳米线 以 为靶材，可制备出Ge 纳米线,激光烧蚀可形成直径仅几个纳米的液态催化剂团簇，这种制备技术具有一定的普适性,12,学习交流PPT,B2 热蒸发：蒸发金属Zn粉，通过气相传输在镀有Au膜的Si衬底上得到ZnO纳米线 高温加热CdS或ZnS纳米粉，通过气相传输在镀有Au膜的Si衬底上得到CdS或ZnS纳米线,B3 化学气相沉积：以硅烷为硅源 ，以Au或Fe或Ni或 AuPd为催化剂，制备Si纳米线,13,学习交流PPT,B4 化学气相传输：,Y.Wu等利用化学气相传输法和VLS生长机制生,14,学习交流PPT,六 两个实例,(一) 用VLS机理制备一维ZnO纳米线,(二) 用VLS机理

6、制备一维SiC纳米线,15,学习交流PPT,Zn0纳米线的制备,方法一：热蒸发ZnO和石墨的混合物，通过气相传输在镀有Au催化剂的硅衬底上得到氧化锌纳米线,方法二：以纳米Au粒为催化剂，加热蒸发Zn粉，同时通入含少量氧气的氩气,16,学习交流PPT,（一）Zn从Zn-Au合金液滴中析出 （二）析出的Zn在高温下被氧化成ZnO ，形成氧化锌纳米线,17,学习交流PPT,SiC纳米线的制备,（一）制备氧化硅凝胶包含氧化铁纳米颗粒的预制复合体,（二）与一定量的石墨粉混合，使C/Si成分比为4：1,（三）500度下通入氢气，还原氧化铁得到铁纳米颗粒,（四）持续通入Ar气，迅速加热到1400度,18,学

7、习交流PPT,19,学习交流PPT,七 有关生长终止的问题,一 温度降低，合金液滴凝固成固体颗粒，反应终止,二 随着原料的消耗，生长材料组元的蒸气浓度降低，导致合金液滴中的过饱和度降低，相变驱动力不足，反应终止。,三 随着结晶反应的进行,杂质在生长点不断聚集使得生长受阻,20,学习交流PPT,八 用VLS机理所得纳米线的形貌特征,纳米线顶端留有含有催化剂成分的球形颗粒,GaN纳米线,Si纳米线,21,学习交流PPT,通常，纳米线的顶端会留有球形颗粒，但是也可能出现有的纳米线上没有球形颗粒或中间有的情况，甚至有的会发生分支生长或非直线生长。这与生长条件（温度、浓度等）的波动有关,22,学习交流PPT,九 在运用VLS制备纳米线时,怎样实现对纳米线直径的有效控制并同时保证其均匀性?,(一) 严格保持纳米线生长条件(温度、蒸气浓度等)的稳