納米銅微粒制備試驗

1、納米銅微粒制備（物教101林哈）摘要納米科技正是指在納米尺度上研究物質的特性和相互作用以及利用這些特 性的科學技術。經(jīng)過近十幾年的急速發(fā)展，納米科技已經(jīng)形成納米物理學、納米 化學、納米生物學、納米電子學、納米材料學、納米力學和納米加工學等學科領 域。本實驗用冷凝法制備納米顆粒銅，不同壓力下顆粒大小和色澤是不同的， 對 結果做了一些討論分析。關鍵字：納米顆粒銅蒸汽冷凝法引言20世紀80年代末以來，一項令世人矚目的納米科學技術正在迅速發(fā)展。納米科技將在21世紀促使許多產業(yè)領域發(fā)生革命性變化。關注納米技術并盡快投入到與納米科技有關的研究，是本世紀許多科技工作者的歷史使命。在物理學發(fā)展的歷史上，人類對

2、宏觀領域和微觀領域已經(jīng)進行了長期的、不斷深入的研究。然而介于宏觀和微觀之間的所謂介觀領域，卻是一塊長期以來未引起人們足夠重視的領域。這一領域的特征是以相干量子輸運現(xiàn)象為主，包括團簇、納米體系和亞微米體系，尺寸范圍約為11000nm）但習慣上人們將1001000nm范圍內有關現(xiàn)象的研究，特別是電輸運現(xiàn)象的研究領域稱為介觀領域。因而1100nm的范圍就特指為納米尺度，在此尺度范圍的研究領域稱為納米體系。 TOC o 1-5 h z 摘 要 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 引言 1 HYPERLINK l bookmark0 o Current

3、Document .納米微粒的制備 2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 納米微粒制備方法 2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 本實驗的蒸汽冷凝法 3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document .實驗儀器 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 實驗總設備 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 實驗儀器部件 4 HYPERLINK l bookmark20

4、o Current Document .實驗內容 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 準備工作 5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 制備銅納米微粒 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 4實驗現(xiàn)象的記錄與分析 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 實驗現(xiàn)象 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 實驗現(xiàn)象分析 6 HYPERLINK l book

5、mark32 o Current Document 總結 7參考文獻 7.納米微粒的制備納米微粒制備方法利用宏觀材料制備微粒，通常有兩條路徑。一種是由大變小，即所謂粉碎法; 一種是由小變大，即由原子氣通過冷凝、成核、生長過程，形成原子簇進而長大 為微粒，稱為聚集法。由于各種化學反應過程的介入，實際上已發(fā)展了多種制備 方法。微粒制備通常有以下幾種方法：（1）粉碎法（2）化學液相法（3）氣相法本實驗的蒸汽冷凝法在各類制備方法中，最早被采用并進行較細致實驗研究的是蒸汽冷凝法。 本 實驗亦采用此種方法。右圖顯示蒸汽冷凝法制備納米微粒的過 程。首先利用抽氣泵對系統(tǒng)進行真空抽吸，并 利用惰性氣體進行置換。

6、惰性氣體為高純 Ar、 2He等，有些情形也可以考慮用 N氣。經(jīng)過幾 次置換后，將真空反應室內保護氣的氣壓調節(jié) 控制至所需的參數(shù)范圍，通常約為0.1KPa至10KPa范圍，與所需粒子粒徑有關。當原材料被 加熱至蒸發(fā)溫度時（此溫度與惰性氣體壓力有 關，可以從材料的蒸汽壓溫度相圖查得）蒸發(fā) 成氣相。氣相的原材料原子與惰性氣體的原子 （或分子）碰撞，迅速降低能量而驟然冷卻。u_|_ 鼐汽常徽法原理4一原村的K汽 n初始成相 c龍成吶米微晶 p紙人丁的媯 聚浦拉 E一情11氣體.氣耳妁為卜打 B提F 納米強物枚復壯G- 直空罩 H一一加熱購K I電板驟冷使得原材料的蒸汽中形成很高的局域過飽 和，非常有

7、利于成核。下圖左顯示成核速率隨 過飽和度的變化。成核與生長過程都是在極短 的時間內發(fā)生的，下圖右給出總自由能隨核生 長的變化，一開始自由能隨著核生長的半徑增大而變大， 但是一旦核的尺寸超過 臨界半徑，它將迅速長大。首先形成原子簇，然后繼續(xù)生長成納米微品，最終在 收集器上收集到納米粒子。為理解均勻成核過程，可以設想另一種情形，即抽掉 惰性氣體使系統(tǒng)處于高真空狀態(tài)。如果此時對原材料加熱蒸發(fā)，則材料蒸汽在真 空中迅速擴散并與器壁碰撞而冷卻， 此過程即是典型的非均勻成核，它主要由容 器壁的作用促進成核、生長并淀積成膜。而在制備納米微粒的過程由于成核與生長過程幾乎是同時進行的， 微粒的大 小與飽和度P/

8、 Pe有密切關系，這導致如下幾項因素與微粒尺寸有關。（1）惰性 氣體的壓力，壓力越小碰撞幾率越低，原材料原子的能量損失越小， Pe值降低 較慢。（2）惰性氣體的原子量越小，一次碰撞的能量損失越小。 （3）蒸發(fā)速率越 快，P/ Pe越大。（4）收集器離蒸發(fā)源越遠，微粒生長時間越長。實際操作時可 根據(jù)上述幾方面的因素調P/Pe值，從而控制微粒的分布尺寸。r4一一1過愷和度IPCft*尚壬強總臼圉腌隨忸t民的化化盤咳速卡的過飽和度的農化.實驗儀器實驗總設備HT-21B納米微粒制備實驗利用南京大學包 通科技開發(fā)公司研制的HT-218型納米微 粒制備實驗儀進行。實驗儀器部件玻璃真空罩G置于儀器頂部真空橡

9、 皮圈的上方。平時真空罩內保持一定程度的低氣壓，以維護系統(tǒng)的清潔。當需要制備微粒時，打開閥門內讓空氣進入真空室，使得真空室內外氣壓相近即可掀開真空罩。真空罩下方真空室底盤P的上部倒置了一只玻璃燒杯F,用作納米微粒的收集器。兩個銅電極1之間可以接 上隨機附帶的螺旋狀鴇絲Ho銅電極接至蒸發(fā)速率控制單元，若在真空狀態(tài)下或 低氣壓惰性氣體狀態(tài)下啟動該單元， 鴇絲上即通過電流并可獲得1000c以上的 高溫。真空底盤P開有四個孔，孔的下方分別接有氣體壓力傳感器 E,以及連結 閥門內、”和電磁閥匕的管道。氣體壓力傳感器E連結至真空度測量單元，并 在數(shù)字顯示表1上直接顯示實驗過程中真空室內的氣體壓力。閥門 匕

10、通過一管 道與儀器后側惰性氣體接口連結，實驗時可利用匕調整氣體壓力，亦可借助匕調 整壓力。閥門匕的另一端直通大氣，主要為打開鐘罩而設立。電磁閥 匕的另一 端接至抽氣單元并由該單元實行抽氣的自動控制，以保證抽氣的順利進行并排除真空泵油倒灌進入真空室。蒸發(fā)控制單元的加熱功率控制旋鈕置于儀器面板上。 調節(jié)加熱器時數(shù)字顯示表用2直接顯示加熱功率。.實驗內容準備工作(1)檢查儀器系統(tǒng)的電源接線、惰性氣體連接管道是否正常。惰性氣體最 好用高純Ar氣，亦可考慮使用化學性質不活潑的高純 n2氣。(2)利用棉紙仔細擦凈真空罩以及罩內的地盤、電極和燒杯。(3)講螺旋狀鴇絲接至銅電極。(4)從樣品盒中取出銅片(用于

11、納米銅粉制備)，在鴇絲的每一圈上掛上一 片，罩上燒杯。(5)罩上真空罩，關閉閥門片,12 ,講加熱功率旋鈕沿逆時針方向旋至最 小，合上電源總開關51。此時真空度顯示器，顯示出與大氣壓相當?shù)臄?shù)值。而 加熱功率顯示值為零。(6)合上開關力，此時抽氣單元開始工作，電磁閉 匕自動接通真空室內壓 力下降。下降至一定值時關閉52 ,觀察真空度是否基本穩(wěn)定在該值附近，如果 真空度持續(xù)變差，表明存在漏氣因素，檢查是否關閉。正常情況下不應漏氣。(7)打開閥門/,此時惰性氣進入真空室，氣壓隨之變大。(8)熟練上述抽氣與供氣的操作過程，直至可以按實驗的要求調節(jié)氣體壓 力。(9)準備好備用的干凈毛刷和收集納米微粉的容

12、器。制備銅納米微粒(1)關閉閥門，對真空室抽氣至極限真空(約 0.05kPa)將壓力表調零。(2)利用氮氣沖洗真空室。打開閥門 匕使氮氣進入真空室，邊抽氣邊進氣 幾分鐘。(3)調節(jié)閥門匕，使真空度基本穩(wěn)定在0.13kPa附近。(4)沿順時針方向緩慢旋轉加熱功率旋鈕，觀察加熱功率顯示器，同時關 注鴇絲。隨著加熱功率的逐漸增大，鴇絲逐漸發(fā)紅進而變亮。當溫度達到銅片的 熔點時，銅片熔化，并由于表面張力的原因，浸潤至鴇絲上。(5)繼續(xù)加大加熱功率時，可以見到用作收集器的燒杯表面變黑，表明蒸 發(fā)已經(jīng)開始。隨著蒸發(fā)過程的進展，鴇絲表面的銅液越來越少，最終全部蒸發(fā)掉, 此時應立即將加熱功率調至最小。(6)打

13、開閥門匕!使空氣進入真空室，將壓力達到大氣壓時，小心移開真空 罩，取下作為收集罩的燒杯。用刷子輕輕的將一層黑色粉末刷至燒杯底部再倒入 備好的容器，貼上標簽。收集的細粉即是納米銅粉。(7)在0.13kPa, 10乂0.13 kPa, 30乂0.13 kPa處重復上述實驗步驟制備, 并記錄每次蒸發(fā)時的加熱功率。觀察每次制備時蒸發(fā)情況有何差異。.實驗現(xiàn)象的記錄與分析實驗現(xiàn)象氮氣壓力(kPa)樣品顏色現(xiàn)象(相同與不同點)0.13黑色加熱后鴇絲發(fā)亮，銅絲融化，然后汽化附 著在燒杯表面，顏色很深。1.3黑紅色加熱后鴇絲發(fā)亮，銅絲融化，然后汽化附 著在燒杯表面，顏色較之前淺些。3.9紫紅色加熱后鴇絲發(fā)亮，銅

14、絲融化，然后汽化附 著在燒杯表面，顏色較之前淺些。實驗現(xiàn)象分析壓強增大時，所得到的樣品顏色變淺，出現(xiàn)紅色。原因是較高壓強下，原子 團和微晶相互碰撞從而凝聚，顆粒較大，而在較低壓強下，成核生長值發(fā)生在離 核較近的距離，生成短程有序的微晶。對于較大的氣壓，銅可能顆粒較大而產生 金屬光澤在試驗中，第一次在0.13kpa下做的的試驗樣品是紫紅色，檢查時發(fā)現(xiàn)樣 品中還有部分銅沒有融化，原因可能是由于試驗的加熱功率比較小， 導致銅沒有 完全融化。重新實驗，加大功率，發(fā)現(xiàn)樣品呈黑色。本次實驗只是作為制備實驗，不涉及測量納米顆粒的大小。實驗過程中，三 次不同的氣壓下，每次實驗都是最先有白色的煙塵產生， 推測白色粉塵的成分應 為氧化鴇。原因可能是有少量的氧氣。實驗前要先判斷鴇絲有沒有接好，可以旋轉加熱按鈕，看有沒有電流。實驗中加熱時間不可過長，否則銅可能顆粒過大產生金屬光澤。 注意觀察銅 的液滴，完全融化時即可將加熱功率調至最小。蒸發(fā)材料時，鴇絲將發(fā)出強烈耀眼的光，其中的紫外部分已基本被玻璃吸收。制成的納米微粉極易彌散到空氣中，收集時要盡量保持動作的輕慢。若需制備其它金屬材料的納米微粒，可參照銅微粒的制備。但熔點太高的金 屬難以蒸發(fā)，而鐵、鍥與鴇絲在高溫下易發(fā)生合金化反應，只宜閃蒸，