纳米材料的制备方法

本科毕业论文

学 院 物理电子工程学院

专 年 姓 名

设计题目 纳米材料的制备方法 指导教师 职称 副教授

2012年 月 日

纳米材料的制备方法

学生姓名：贾学伟 学号：20085040024

学 院：物理电子工程学院 专业：物理学

指导教师：闫海龙 职称：副教授

摘 要：纳米材料由于其的特殊性质，近年来受到人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米纳材料的制备方法已日趋成熟。本文主要介绍纳米材料的制备方法,其中包括化学气相沉积应法、分子束外延法、激光脉冲沉淀法、固相烧结、水热法、溶胶-凝胶法。在此基础上,分析了现代纳米材料制备方法的发展趋势[1]。相信纳米材料将推动21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展,对生产力的发展产生深远的影响。

关键词：纳米；纳米材料；纳米科技

The methods of preparation nanomaterials Abstract：Because of the special nature of nanomaterials, people has been great concern in recent years. With the development of nanotechnology, nanomaterials preparation method has matured. This article mainly introduces the preparation method of nano material, including chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy, laser pulse precipitation, sintering, hydrothermal method, sol gel method. On this foundation, I analysed modern nanometer material preparation method development trend.Nanomaterials will promote the development of IT, medicine, environment, automation technology and energy science in the 21st century, will have a profound impact on the development of productive forces.

Key words：nanomate；nanomaterials；nanotechnology

1 前言

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1纳米-100纳米)或由它们作为基本单元构成的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料的材料，这大约相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺度。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值[2]。

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中

纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜[3]。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。

纳米结构通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。纳米结构的基本单元有下述几种，零维：团簇、人造原子、纳米微粒；一维：纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维；二维：纳米带、超薄膜、多层膜。因为纳米单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元又有量子点、量子线和量子阱之称。

自1984年原联邦德国的Saarlands大学Gleiter等人采用惰性气体凝聚和超高真空条件下原位加压的技术制备了纳米金属颗粒后,多种技术制备的纳米材料已达上百种,制备方法更多样更成熟。制备方法包括化学气相沉积法、分子束外延法、脉冲激光沉淀法、固相烧结法、水热法、溶胶—凝胶法等。

2 化学气相沉积法

2.1化学气相沉积法的原理

化学气相沉积是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法,该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程。它利用挥发性的金属化合物的蒸发,通过化学反应生成所需化合物在保护气体环境下快速冷凝,从而制备各类物质的纳米微粒。

2.2化学气相沉积法制备碳米管的新工艺

化学气相沉积方法是碳氢化合物在较低温度(700一1200“C)下与金属纳米颗粒接触时通过其催化作用而直接生成纳米炭材料的方法。化学气相沉积法制备碳纳米管的工艺是基于气相生长碳纤维的制备工艺。在研究气相生长碳纤维早期工作中就己经发现有直径很细(几十至几百纳米)的空心管状碳纤维，但遗憾的是没有对其进行更详细的研究[4]。直到Iijima在高分辨透射电子显微镜发现产物中有纳米级碳管存在，才开始真正的以碳纳米管的名义进行广泛而深入的研究。

化学气相沉积法制备碳纳米管的原料气，国际上主要采用乙炔，但也采用许多别的碳源气体，如甲烷、CO、乙烯、丙烯、丁烯、甲醇、乙醇等的[5]。

2.2.1催化剂在制备碳纳米管的研究

在过渡金属催化剂铁钻镍催化生成的碳纳米管时，使用含铁催化剂，多数得到多壁碳纳米管;使用含钻催化剂，大多数的实验得到多壁碳纳米管;过渡金属的混合物比单一金属合成碳纳米管更有效。铁镍合金多合成多壁碳纳米管，铁钻合金相比较更容易制得单壁碳纳米管[6]。此外，两种金属的混合物作为催化剂可以大大促进碳纳米管的生长。许多文献证实铁、钻、镍任意两种的混合物或者其他金属与铁钻镍任何一种的混合物均对碳纳米管的生长具有显著的提高作用，不仅可以提高催化剂的性能，而且可以提高产物的质量或者降低反应温度。催化裂解二甲苯时，将适量金属Tb与铁混合，可以提高多壁碳纳米管的纯度和规则度。碳纳米管的生成系由含碳反应物在催化剂上分解留下碳并按一定方式聚集成管状纤维。因而，包括像烃及CO等可在催化剂上裂解或歧化生成碳的物料均有形成碳纳米管的可能。P.Nemec等使用化学沉积法制备出粒径为3. 8~20 nm CdSe纳米晶体,试验过程中通过选择合适的光密度调整纳米晶体的半径,粒径大小也与沉积时间和温度有关,据此可以根据需要改变产品的纳米材料的尺寸。

2.3化学气相沉积法优缺点及发展现状

该法制备的纳米微粒颗粒均匀,纯度高,粒度小,分散性好,化学反应活性高,工艺可控和连续，可对整个基体进行沉积等优点。此外，化学气相沉积法因其制备工艺简单，设备投入少，操作方便，适于大规模生产而显示出它的工业应用前景。因此，化学气相沉积法成为实现可控合成技术的一种有效途径。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。M.J.Yacmana等人首次报道了以乙炔为碳源，铁做催化剂针对性地采用化学气相沉积法成功合成多壁碳纳米管；戴宏杰等人以co为碳源，铝纳米颗粒为催化剂合成出单壁碳纳米管；中国科学院物理研究所解思深研究员等利用化学气相法高效制备出孔径约20纳米，长度约100微米的碳纳米管。 [7]

3 分子束外延法

3.1分子束外延法的原理

分子束外延法是一种真空蒸发技术,即把原材料通过加热,转化为气态,然后在真空中膨胀,再在衬底上凝结,进行外延生长。由于半导体薄膜要求的高纯度,所以这 …… 此处隐藏：3156字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……