納米材料的制備方法及原理 (整理)課件

1、納米顆粒合成及其生長機理157692247 任光鵬生長機理1、氣相法制備納米微粒的生長機理2、液相法制備納米粒子3、固相法制備納米微粒依制備狀態(tài)不同而劃分的制備方法根據(jù)是否發(fā)生化學反應而劃分的制備方法蒸發(fā)冷凝法物理氣相沉積非晶晶化法機械破碎法離子注入法原子法等離子體法濺射法流動液面上真空蒸度法通電加熱蒸發(fā)法爆炸絲法霧化法1、氣相法制備納米微粒的生長機理氣相成核機制：蒸氣的異相成核：以進入蒸氣中的外來離子、粒子等雜質或固體上的臺階等缺陷成核中心，進行微粒的形核及長大。蒸氣的均相成核：無任何外來雜質或缺陷的參與，過飽和蒸氣中的原子因相互碰撞而失去動力，由于在局部范圍內溫度的不均勻和物質濃度的波動，

2、在小范圍內開始聚集成小核。當小核半徑大于臨界半徑r。時就可以不斷先后撞擊到其表面的其他原子、繼續(xù)長大，最終形成微粒。1、氣相法制備納米微粒的生長機理加熱方式1) 電阻加熱(電阻絲) 使用螺旋纖維或者舟狀的 電阻發(fā)熱體1、氣相法制備納米微粒的生長機理2) 高頻感應加熱： 電磁感應現(xiàn)象產(chǎn)生的熱來加熱。 類似于變壓器的熱損耗。 高頻感應加熱是利用金屬和磁 性材料在高頻交變電磁場中存 在渦流損耗和磁滯損耗，因而 實現(xiàn)對金屬和鐵磁性性材料工 件內部直接加熱。物理法：當激光照射到靶材表面時，一部分入射光反射，一部分入射光被吸收，一旦表面吸收的激光能量超過蒸發(fā)溫度，靶材就會融化蒸發(fā)出大量原子、電子和離子，從

3、而在靶材表面形成一個等離子體。等脈沖激光移走后，等離子體會先膨脹后迅速冷卻，其中的原子在靶對面的收集器上凝結起來，就能獲得所需的薄膜和納米材料用于納米材料制備的原理：7化學法：利用大功率激光器的激光束照射于反應物，反應物分子或原子對入射激光光子的強吸收，在瞬間得到加熱、活化，在極短的時間內反應分子或原子獲得化學反應所需要的溫度后，迅速完成反應、成核凝聚、生長等過程，從而制得相應物質的納米微粒。8微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的電磁波(波長1米1毫米）通常，介質材料由極性分子或非極性分子組成，在微波電磁場作用下，極性分子從原來的熱運動狀態(tài)轉向依照電磁場的方向交變而排列取向。產(chǎn)生類似摩擦熱，

4、在這一微觀過程中交變電磁場的能量轉化為介質內的熱能，使介質溫度出現(xiàn)宏觀上的升高可見微波加熱是介質材料自身損耗電磁場能量而發(fā)熱5) 微波加熱10在兩個電極間加一電壓，當電源提供較大功率的電能時，若極間電壓不高(約幾十伏)，兩極間氣體或金屬蒸氣中可持續(xù)通過較強的電流(幾安至幾十安)，并發(fā)出強烈的光輝，產(chǎn)生高溫(幾千至上萬度)，這就是電弧放電。電弧放電最顯著的外觀特征是明亮的弧光柱和電極斑點。 電弧放電可分為 3個區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱和陽極區(qū)陰極依靠場致電子發(fā)射和熱電子發(fā)射效應發(fā)射電子；弧柱依靠其中粒子熱運動相互碰撞產(chǎn)生自由電子及正離子，呈現(xiàn)導電性(熱電離)；陽極起收集電子等作用，對電弧過程影響常較小

5、。根據(jù)電弧所處的介質不同分為氣中電弧和真空電弧兩種。6) 電弧加熱112、液相法制備納米粒子液相法的原理是：選擇一至幾種可溶性金屬化合物配成均相溶液，再通過各種方式使溶質和溶劑分離（例如，選擇合適的沉淀劑或通過水解、蒸發(fā)、升華等過程，將含金屬離子的化合物沉淀或結晶出來），溶質形成形狀、大小一定的顆粒，得到所需粉末的前驅體，加熱分解后得到納米顆粒的方法。123、固相法制備納米微粒納米微粒固相法合成是把固相原料通過降低尺寸或重新組合制備納米粉體的方法。該法是通過固相到固相的變化來制造超微粉體，沒有相的變化。固相物質的微粉化機理可以分為兩類：尺寸降低過程（size reduction process

6、）：將外部能量引入或作用于母體材料，使其結構轉變，固相物質被極細地分裂，但物相沒變化。屬于此過程的有機械粉碎（球磨法）、化學處理（溶出法）等。構筑過程（build up process）：將最小的物質單元（原子、分子、離子）組合起來、構筑微粒，物質屬性發(fā)生變化，如熱分解法（大多為鹽的分解）、固相反應法（大多為化合法）等。14根據(jù)是否發(fā)生化學反應而劃分的制備方法152、物理氣相沉積（PVD）基本原理：在凝聚、沉積的過程中最后得到的材料組分與蒸發(fā)源或濺射靶的材料組分一致，在氣相中沒有發(fā)生化學反應，只是物質轉移和形態(tài)改變的過程制備過程：在低壓的惰性氣體中加熱金屬，形成金屬蒸汽。再將金屬蒸汽凝固在冷凍

7、的單晶或多晶底板上，形成納米粒子點陣或納米薄膜加熱金屬的方法，氣相法部分已有介紹。這里重點介紹兩種：激光束加熱PVD和電子束加熱（如分子束外延MBE）173、非晶晶化法原理：先將原料用急冷技術制成非晶薄帶或薄膜，就是把某些金屬元素按一定比例高溫熔化，然后將熔化了的合金液體適量連續(xù)滴漏到高速轉動的飛輪表面，這些合金液體沿著飛輪表面的切線方向被甩了出去同時急遽地冷卻，成為非晶薄帶或薄膜。然后控制退火條件，如退火時間和退火溫度，使非晶全部或部分晶化，生成的晶粒尺寸可維持在納米級。184、機械破碎法是采用高能球磨、超聲波或氣流粉碎等機械方法，以粉碎與研磨為主體來實現(xiàn)粉末的納米化。其機理主要是產(chǎn)生大量缺

8、陷，位錯，發(fā)展成交錯的位錯墻，將大晶粒切割成納米晶。球磨工藝的目的是減小微粒尺寸、固態(tài)合金化、混合以及改變微粒的形狀。球磨的動能是它的動能和速度的函數(shù)，致密的材料使用陶瓷球，在連續(xù)嚴重塑性形變中，位錯密度增加，在一定的臨界密度下松弛為小角度亞晶晶格畸變減小，粉末顆粒的內部結構連續(xù)地細化到納米尺寸195、離子注入法用同位素分離器使具有一定能量的離子硬嵌在某一與它固態(tài)不相溶的襯底中，然后加熱退火，讓它偏析出來。它形成的納米微晶在襯底中深度分布和顆粒大小可通過改變注入離子的能量和劑量，以及退火溫度來控制在一定注入條件下，經(jīng)一定含量氫氣保護的熱處理后獲得了在Cu、Ag, Al, SiO2中的a-Fe納

9、米微晶。Fe和O雙注入，F(xiàn)e和N雙注入制備出在SiO2和Cu中的Fe3O4和Fe-N納米微晶納米微晶的形成和熱擴散系數(shù)以及擴散長度有關Fe在Si中就不能制備納米微晶，這可能由于Fe在Si中擴散系數(shù)和擴散長度太大的緣故206、原子法50年代，F(xiàn)eynman曾設想“如果有一天能按人的意志安排一個個原子和分子將會產(chǎn)生什么樣的奇跡”？1982年Binnig等發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)，以空前的分辨率為我們揭示了一個“可見”的原子、分子世界。在80年代末，STM已發(fā)展成為一個可排布原子的工具。1990年人們首次用STM進行了原子、分子水平的操作。217、等離子體加熱蒸發(fā)法物質各態(tài)變化：固體液體氣體等

10、離子體反物質（負）+物質（正）（正負電相反，質量相同）只要使氣體中每個粒子的能量超過原子的電離能，電子將會脫離原子的束縛而成為自由電子，而原子因失去電子成為帶正電的離子（熱電子轟擊）。這個過程稱為電離。當足夠的原子電離后轉變另一物態(tài)-等離子態(tài)。等離子體的概念及其形成228、濺射法由于兩電極間的輝光放電使Ar離子形成，在電場的作用下Ar離子沖擊陰極靶材表面(加熱靶材)，使靶材原子從其表面蒸發(fā)出來形成超微粒子，并在附著面上沉積下來。粒子的大小及尺寸分布主要取決于兩電極間的電壓、電流和氣體壓力；靶材的表面積愈大，原子的蒸發(fā)速度愈高，超微粒的獲得量愈多。濺射法制備納米微粒的原理用兩塊金屬板分別作為陽極

11、和陰極，陰極為蒸發(fā)用的材料，在兩電極間充入Ar氣(40250 Pa)，兩電極間施加的電壓范圍為0.31.5 kV。陰極陽極249、流動液面上真空蒸度法 高真空中的蒸發(fā)是采用電子束加熱，當水冷卻坩堝中的蒸發(fā)原料被加熱蒸發(fā)時，打開快門、使物質蒸發(fā)在旋轉的圓盤下表面上，從圓盤中心流出的油通過圓盤旋轉時的離心力在下表面上形成流動的油膜，蒸發(fā)的原子在油膜中形成了超微粒子。含有超微粒子的油被甩進了真空室沿壁的容器中，然后將這種超微粒含量很低的油在真空下進行蒸餾，使它成為濃縮的含有超微粒子的糊狀物。流動液面上真空蒸度法的基本原理簡稱VEROS法。在高真空中蒸發(fā)的金屬原子在流動的油面內形成超微粒子，產(chǎn)品為含有大量超微粒的糊狀油；2511、爆炸絲法加15kV的高壓，金屬絲在500800 KA電流下進行加熱，融斷后在電流中斷的瞬間，卡頭上的高壓在融斷處放電，使熔融的金屬在放電過程中進一步加熱變成蒸氣，在惰性氣體碰撞下形成納米金屬或合金粒子沉降在容器的底部，金屬絲可以通過一個供絲系統(tǒng)自動進入兩卡