《納米材料制備方法》ppt課件

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1、一維納米材料的合成2002年,Appell在Nature雜志上撰文寫(xiě)道:納米線、納米棒亦或稱之為納米晶須,不管人們?cè)趺捶Q呼它們,它們都是納米技術(shù)中最熱門(mén)的研究對(duì)象。由于一維納米結(jié)構(gòu)在微電子等領(lǐng)域的特殊地位,毫不夸張地說(shuō),當(dāng)今一維納米材料已經(jīng)成為了納米材料研究中最熱門(mén)的領(lǐng)域。引言一維納米結(jié)構(gòu)是指在三維空間內(nèi)有兩維尺寸處于納米量級(jí)的納米結(jié)構(gòu)。一維納米結(jié)構(gòu)包括納米線、納米棒、納米管、納米帶，由于其特殊的光、電、磁、電化學(xué)等性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于催化、電極、電子器件等。定義近十年來(lái),已經(jīng)發(fā)展了大量的一維納米材料的制備方法,但很多方法的生

2、長(zhǎng)機(jī)制都是相同的。按照生長(zhǎng)機(jī)制的特點(diǎn),我們粗略地將一維納米材料的制備分為三大類(lèi):氣相法、液相法和模板法。一氣相法在合成一維納米結(jié)構(gòu)(如納米晶須、納米棒和納米線等)時(shí),氣相合成可能是用得最多的方法。氣相法中的主要機(jī)制有:氣--液--固(Vapor—Liquid--Solid,簡(jiǎn)稱VLS)生長(zhǎng)機(jī)制、氣—固(Vapor--Solid,簡(jiǎn)稱VS)生長(zhǎng)機(jī)制。VLS機(jī)制在所有的氣相方法中,應(yīng)用VLS機(jī)制的許多方法在制備大量單晶一維納米結(jié)構(gòu)中應(yīng)該說(shuō)是最成功的。VLS機(jī)制要求必須有催化劑的存在,在適宜的溫度下,催化劑能與生長(zhǎng)材料的組元互熔形

3、成液態(tài)的共熔物,生長(zhǎng)材料的組元不斷地從氣相中獲得,當(dāng)液態(tài)中溶質(zhì)組元達(dá)到過(guò)飽和后,晶須將沿著固-液界面的擇優(yōu)方向析出。圖1所示為哈佛大學(xué)的Lieber研究小組提出的以金屬納米團(tuán)簇(以Au為例)為催化劑,以VLS機(jī)制生長(zhǎng)半導(dǎo)體納米線(以Si納米線為例)的方案示意圖。圖1金屬納米團(tuán)簇催化法制備納米線過(guò)程示意圖這一生長(zhǎng)機(jī)制的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在生成納米線的頂端附著有一個(gè)催化劑顆粒,并且,催化劑的尺寸很大程度上決定了所生長(zhǎng)納米線的最終直徑,而反應(yīng)時(shí)間則是影響納米線長(zhǎng)徑比的重要因素之一?；诖呋瘎┹o助生長(zhǎng)的VLS機(jī)制,人們已經(jīng)成功地制備了單

4、質(zhì)、金屬氧化物、金屬碳化物等眾多材料的納米線體系。這種合成方法為制備具有良好結(jié)構(gòu)可控性的準(zhǔn)一維納米材料提供了極大的便利。在VLS機(jī)制中,納米線生長(zhǎng)所需的蒸氣既可由物理方法也可由化學(xué)方法產(chǎn)生,由此派生出一些人們所熟知的納米線制備技術(shù)。物理方法有:激光燒蝕法(LaserAblation)、熱蒸發(fā)(ThermalEvaporation)等;化學(xué)方法有:化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition,簡(jiǎn)稱CVD)、化學(xué)氣相輸運(yùn)(ChemicalVaporTransport)、金屬有機(jī)化合物氣相外延法(MetalOrga

5、nicVaporPhaseEpitaxy,簡(jiǎn)稱MOVPE)等。圖2：用噴涂成圖案的Au作催化劑制備出的單晶ZnO納米棒陣列組成的納米激光器最具有代表性的工作有楊培東(P.Yang)小組的Ge納米線在Au催化作用下的VLS機(jī)制生長(zhǎng)過(guò)程的原位觀察,以及用噴涂成圖案的Au作催化劑制備出的單晶ZnO納米棒陣列組成的納米激光器(見(jiàn)圖2)。此外,一系列一維納米異質(zhì)結(jié)、超晶格納米線都是利用VLS機(jī)制生長(zhǎng)出來(lái)的。Lieber小組利用VLS機(jī)制生長(zhǎng)出了碳納米管與Si納米線的異質(zhì)結(jié)(圖3(a));楊培東小組還利用脈沖激光燒蝕-化學(xué)氣相沉積方(P

6、LA-CVD),將Si和Ge兩個(gè)氣源獨(dú)立控制并交替輸入系統(tǒng),借助VLS機(jī)制成功地制備出了Si-SiGe超晶格納米線(圖3(b));瑞典大學(xué)的Bjrk等人也用Au作催化劑成功地利用VLS機(jī)制生長(zhǎng)出了InAs-InP超晶格納米線(圖3(c))。圖3：(a)碳納米管與Si納米線的異質(zhì)結(jié);(b)Si--SiGe超晶格納米線;(c)InAs--InP超晶格納米線。另外,值得一提的是,最近,在利用VLS機(jī)制生長(zhǎng)一維納米結(jié)構(gòu)的研究中,一些低熔點(diǎn)金屬作催化劑倍受關(guān)注,如Sn、In、Ga等。VS機(jī)制研究表明,許多一維材料不使用催化劑也可生長(zhǎng)出

7、來(lái),即直接通過(guò)氣-固(VS)機(jī)制生長(zhǎng)出一維材料。在VS過(guò)程中,可以通過(guò)熱蒸發(fā)、化學(xué)還原或氣相反應(yīng)等方法產(chǎn)生氣相,隨后該氣相被傳輸?shù)降蜏貐^(qū)并沉積在基底上。其生長(zhǎng)方式通常是以液固界面上微觀缺陷(位錯(cuò)、孿晶等)為形核中心生長(zhǎng)出一維材料。研究發(fā)現(xiàn),在VS生長(zhǎng)機(jī)制中,氣相的過(guò)飽和度決定著晶體生長(zhǎng)的主要形貌。低的過(guò)飽和度對(duì)應(yīng)晶須的生長(zhǎng),而中等的過(guò)飽和度對(duì)應(yīng)塊狀晶體的形成,在很高的過(guò)飽和度下則通過(guò)均勻形核生成粉末。現(xiàn)在,用VS機(jī)制來(lái)生長(zhǎng)納米線、納米管及納米帶等已是非常普遍的方法。代表性的工作如:王中林小組就用簡(jiǎn)單的物理蒸發(fā)與VS機(jī)制相結(jié)合

8、制備出了無(wú)位錯(cuò)和缺陷的氧化物納米帶(圖4)。Yang等采用VS機(jī)制與碳熱還原法合成了ZnO、MgO等納米線。中科院固體物理研究所的彭新生等利用VS機(jī)制制備了大量氧化物一維納米結(jié)構(gòu)。用VS機(jī)制還可以一次性制備多種芯殼結(jié)構(gòu)納米線,如CdSe(芯)?SiO2(殼),FeCoNi(芯)?SiO2(