一维纳米材料的制备概述

学年论文`题目：一维纳米材料的制备方法概述学院：化学学院专业年级：材料化学2011级学生姓名：龚佩斯学号：20110513457指导教师：周晴职称：助教2015年3月26日成绩一维纳米材料制备方法概述--气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料材料化学专业2011级龚佩斯指导教师周晴摘要：一维纳米材料碳纳米棒、碳纳米线等因其独特的用途成为国内外材料科学家的研究热点。然而关于如何制备出高性能的一维纳米材料正是各国科学家所探究的问题。本文概述了一维纳米材料的制备方法：气相法、液相法、模板法等。关键词：一维纳米材料；制备方法；气相法；液相法；模板法Abstract:thenanoscalematerialssuchascarbonnanorodsandcarbonnanowireshavebecomethefocusofintensiveresearchowingtotheiruniqueapplications.butthequestionthathowtomakeuphighqulityone-dimentionalnanostructureisdiscussingbyScientistsallaroundtheworld.Thisparperhasreviewedthepreparationofonedimentionnanomaterials,suchasvapor-statemethod,liqulid-statemethod，templatemethodandsoon.Keywords:one-dimentionnanomaterials;preparatinalmethod;vapor-statemethodliqulid-statemethod;templatemethod纳米材料是基本结构单元在1nm~100nm之间的材料，按其尺度分类包括零维、一维、二维纳米材料。自80年代以来，零维纳米材料不论在理论上和实践中均取得了很大的进展；二维纳米材料在微型传感器中也早有应用。[1]一维纳米材料因其特殊的结构效应在介观物理、纳米级结构方面具有广阔的应用前景，它的制备研究为器件的微型化提供了材料基础。本文主要概述了近年来文献关于一维纳米材料的制备方法。1一维纳米材料的制备方法近几年来，文献报导了制备一维纳米材料的多种方法，如溶胶-凝胶法、气相-溶液-固相法、声波降解法、溶剂热法、模板法、化学气相沉积法等。然而不同制备方法的纳米晶体生长机制各异。本文按不同生长机制分类概述，主要介绍气相法、液相法、模板法三大类制备方法。1.1气相法在合成一维纳米结构时,气相合成可能是用得最多的方法。气相法中的主要机制有：气—液—固(VLS)生长机制、气—固(VS)生长机制。[2]1.1.1气—液—固(VLS)生长法VLS法是制备单晶一维纳米材料较好的方法，该方法具有较高的产率。催化剂以及适宜的温度是VLS生长基质的必要条件。催化剂能与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物,生长材料的组元不断地从气相中获得,当液态中溶质组元达到过饱和后,晶须将沿着固-液界面的择优方向析出。[2]纳米线的最终形态受部分实验因素的影响。实验表明，最终合成一维纳米材料的长度受催化剂的尺寸影响，而反应时间则影响最终合成一维纳米材料的长径比。最具有代表性的工作有杨培东(P.Yang)小组的Ge纳米线在Au的催化作用下VLS机制生长过程的原位观察。[3]1.1.2气—固(ＶＳ)生长机制大量研究实验表明，在不存在催化剂的条件下，一维纳米材料按照VS生长制备。在VS过程中,可以通过热蒸发、化学还原或气相反应等方法产生气相,随后该气相被传输到低温区并沉积在基底上。其生长方式通常是以液固界面上微观缺陷(位错、孪晶等)为形核中心生长出一维材料。[2]其中晶体的形貌取决于气体的过饱和度。低的过饱和度有利于晶须的形成。中等过饱和度利于块状晶体的生长。而很高的过饱和度则均匀形成粉末。1.2液相法液相法包括溶液-液相-固相（SLS）生长机制、溶剂热法。1.2.1溶液-液相-固相（SLS）生长机制SLS生长机制与VLS生长机制相似。SLS生长机制与VLS生长机制的不同之处在于后者原材料来于气相，前者来于液相。在SLS生长机制中，常用低熔点金属为助溶剂，其作用相当于VLS中催化剂的作用。该机制生长出来的一维纳米材料为单晶和多晶结构，且其尺寸分布范围较宽。美国华盛顿大学Buhro小组在低温下通过SLS机制获得了高结晶度的半导体纳米线,如InP、InAs、GaAs纳米线。1.2.2溶剂热法该反应是在高压釜中，以相对较低的温度和压力进行的。原料各组分按一定比例混合在溶剂中，在这种方法中,溶剂处在高于其临界点的温度和压力下,可以溶解绝大多数物质,从而使常规条件下不能发生的反应可以进行或加速进行。溶剂的作用还在于它可以在反应过程中控制晶体的生长,实验证明,使用不同的溶剂可以得到不同形貌的产品。如钱雪峰等[4]以水和乙二胺以及二者不同比例的混合物作溶剂,制得了带状、树枝状、花瓣状等不同形貌的GdS纳米结构。1.3模板法模板法是合成一维纳米材料的有效方法。该方法具有限域能力，对一维纳米材料的尺寸及形状具有可控性。目前，广泛使用的模板主要有多孔阳极氧化铝膜、径迹蚀刻聚合物膜和介孔沸石等。模板法材料的形成仍采用化学反应等途径来完成，主要有电化学气相沉积、溶胶—凝胶法、化学气相沉积。1.3.1电化学气相沉积将模板技术与电化学方法相结合，利用对AAO的填系和孔洞的空间限制就可以制备一维纳米材料电化学沉积法是一种简单、廉价的合成方法,可用于制备多种纳米材料,如金属、合金、半导体、导电高分子等。Shoso、Forred等采用电化学方法成功制备了Au纳米线,Davydov等在多孔阳极氧化铝纳米孔中制备了Ni纳米线,并研究了其电学性能,Evans等运用电化学沉积法在多孔氧化铝模板中合成了Co—Ni—Cu多层纳米线。[2]1.3.2化学气相沉积化学气相沉积法(CVD)通过原料气体的化学反应而在模板孔道内沉积形成纳米管、纳米线或纳米粒子。其反应温度比热解法低,一般在550℃～1000℃之间。该法中纳米线(管)的生长一般需使用催化剂,经常使用的催化剂有Fe、Co、Ni及其合金。杨勇等用CVD法在660℃下热分解乙炔,在模板中得到了碳纳米管阵列。贾圣果等[5]利用CVD方法制备了平均直径20nm～100nm,长度为几十微米的GaN纳米线。同时他们探讨了生长温度和催化剂对纳米线生长的影响,研究了GaN纳米线的生长过程,为了解一维纳米结构材料的生长机理,实现纳米材料的可控生长,提供了有力的实验依据。1.3.3溶胶-凝胶法溶胶—凝胶(Sol—gel)法首先将前体分子溶液水解得到溶胶,再将Al2O3模板浸入溶胶中,溶胶沉积到孔壁,经热处理后在孔内就可得到管状或线状的产物。用Sol-gel法在Al2O3模孔内制得的是纳米管还是纳米线,取决于模板在溶胶中的浸渍时间,浸渍时间短,得到纳米管,而浸渍时间长则得到纳米线。1.3.4固态底物的特性模板固态底物表面的浮雕结构是制备一维纳米材料天然的模板。用石版印刷术及蚀刻等方法可以方便地在固态底物的表面得到不同图案的微型结构,利用这些结构可以制备各种材料的纳米线。Jorritsma等[6]发现将金属蒸气以一定角度沉积到一列刻在InP(001)底物上的V形沟上可以制备细达20nm的金属纳米线。以其他方法合成的纳米线或纳米管作为模板来制备新的纳米材料,大大拓宽了可被制成均一一维纳米结构的材料的范围。这种方法最主要的问题在于难以对最终产品的组成和结晶度进行严密地控制。而模板指导反应的机理尚需进一步研究,只有了解固-气或固-液反应在原子层次上是怎样进行的,才能更好地控制产品的组成、纯度、结晶度和形貌。[7]2结语一维纳米材料具备纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特殊性质，其在物理化学方面的特性在新型半导体器件方面具有广阔的应用前景。目前，气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料的工艺逐渐成熟，一些新型制备工艺如：离子液体制备新技术[8]，在制备复杂尺寸一维纳米材料具有较大优势。随着一维纳米材料的研究日益激烈及制备新技术的不断发展，多功能光电等半导体器件将更加小型化、智能化。参考文献[1]梁芳,郭林.钴及其化合物一维纳米材料的制备研究进展[J].世界科技研究与发展,2006,28（4）:37-41.[2]周明林、李应真等.一维纳米材料的制备及应用[J].信阳农业高等专科学校学报,2010(4):121-124.[3]WuY,YangP.PhysicalReviewLetters[J].M.G.Payne.,2003(9):123.[4]曹立新,吕艳玲,孙大可.Mn纳米晶体结构和发光性质的研究[J].功能材料,2008(2):194-196.[5]向杰,贾圣果.氧化鎵纳米带的制备研究[Ｊ].固体电子学研究与进展,2002(4):449-453.[6]JorritsmaJ,GijsMAM,KerkhofJM,etal.Generaltechniqueforfabricatinglargearraysofnanowires[J].Nanotechnology,1996,7(3):263.[7]孙大可、曹立新、常素玲.一维纳米材料的制备、性质及应用[J].稀有金属2006（2）：88-93.[8]王宝和.一维纳米材料的离子制备新技术[J].2007,24(1):11-13.