纳米材料制备方法.ppt

一维纳米材料的合成
2002 年, Appell 在Nature 杂志上撰文写道: 纳米线、纳米棒亦或称之为纳米晶须, 不管人们怎么称呼它们, 它们都是纳米技术中最热门的研究对象。由于一维纳米结构在微电子等领域的特殊地位, 毫不夸张地说, 当今一维纳米材料已经成为了纳米材料研究中最热门的领域。
引言
一维纳米结构是指在三维空间内有两维尺寸处于纳米量级的纳米结构。一维纳米结构包括纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带,由于其特殊的光、电、磁、电化学等性质,被广泛应用于催化、电极、电子器件等。
定义
近十年来, 已经发展了大量的一维纳米材料的制备方法, 但很多方法的生长机制都是相同的。按照生长机制的特点, 我们粗略地将一维纳米材料的制备分为三大类:气相法、液相法和模板法。
一气相法
在合成一维纳米结构( 如纳米晶须、纳米棒和纳米线等) 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( Vapor—Liquid--Solid, 简称VLS) 生长机制、气—固(Vapor--Solid, 简称VS) 生长机制。
VLS 机制
在所有的气相方法中, 应用VLS 机制的许多方法在制备大量单晶一维纳米结构中应该说是最成功的。VLS 机制要求必须有催化剂的存在, 在适宜的温度下, 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。图1所示为哈佛大学的Lieber 研究小组提出的以金属纳米团簇( 以Au 为例) 为催化剂, 以VLS 机制生长半导体纳米线( 以Si 纳米线为例) 的方案示意图。
图1 金属纳米团簇催化法制备纳米线过程示意图
这一生长机制的一个显著特点是在生成纳米线的顶端附着有一个催化剂颗粒, 并且, 催化剂的尺寸很大程度上决定了所生长纳米线的最终直径, 而反应时间则是影响纳米线长径比的重要因素之一。基于催化剂辅助生长的VLS 机制, 人们已经成功地制备了单质、金属氧化物、金属碳化物等众多材料的纳米线体系。这种合成方法为制备具有良好结构可控性的准一维纳米材料提供了极大的便利。
在VLS 机制中, 纳米线生长所需的蒸气既可由物理方法也可由化学方法产生, 由此派生出一些人们所熟知的纳米线制备技术。物理方法有: 激光烧蚀法( Laser Ablation) 、热蒸发( Thermal Evaporation) 等; 化学方法有: 化学气相沉积( Chemical Vapor Deposition, 简称CVD) 、化学气相输运( Chemical Vapor Transport) 、金属有机化合物气相外延法(anic Vapor Phase Epitaxy, 简称MOVPE) 等。
图2 :用喷涂成图案的Au 作催化剂制备出的单晶ZnO纳米棒阵列组成的纳米激光器
最具有代表性的工作有杨培东( ) 小组的Ge 纳米线在Au 催化作用下的VLS 机制生长过程的原位观察,以及用喷涂成图案的Au 作催化剂制备出的单晶ZnO 纳米棒阵列组成的纳米激光器( 见图2) 。