納米材料-物理氣相合成

3.2物理氣相合成通過固態(tài)物質(zhì)的蒸發(fā)—冷凝過程形成超微粒子，不涉及嚴(yán)格意義上的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)—原材料在真空或低壓氣體（如氮、氬、氦、氖等惰性氣體）中加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的煙霧狀超微粒子在容器的一定部位冷凝——形成薄膜或超微粉末主要用于制備金屬以及難熔氧化物材料一、蒸發(fā)—冷凝中的基本問題1、金屬煙焰氣相蒸發(fā)，形成金屬煙焰——合成基礎(chǔ)金屬煙焰一般包括：中心氣相區(qū)、內(nèi)層、外層由內(nèi)向外存在溫度梯度如：在氦氣氛中形成的金屬鎂煙焰，由內(nèi)向外：中心—小的球形和六角狀顆?；旌衔铮粌?nèi)層—稍大的球形顆粒；中間層—較大的六角狀顆粒；外層—棒狀或片狀顆粒溫度增高，內(nèi)層顆粒平均粒徑增大，粒度分布變寬可以通過控制金屬煙焰的形成條件，調(diào)整產(chǎn)物形貌、粒徑分布和平均粒徑——氣體蒸發(fā)中的淬火效應(yīng)2、平均粒徑和粒子生長機(jī)制金屬煙焰氣相區(qū)內(nèi)氣體原子相互碰撞、吸附——成核和晶體生長氣相制備中的溶劑——環(huán)境氣氛對產(chǎn)物有很大影響：氣氛種類、壓力氣相環(huán)境、氣體壓力—影響氣體分子自由程—成核與晶體生長—粒徑與粒徑分布初始原料的形態(tài)和蒸發(fā)源的溫度，影響金屬煙焰的溫度—產(chǎn)物的粒徑與形貌蒸發(fā)源溫度升高，環(huán)境氣體壓力增大，粒徑分布變寬通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)源的溫度和控制壓力，可以調(diào)節(jié)粒徑及粒徑分布?xì)庀鄥^(qū)外的金屬煙焰：溫度低、不存在過飽和，不存在均勻成核，但存在顆粒生長——由顆粒之間的碰撞凝聚，小顆粒之間相連長大二、蒸發(fā)—冷凝中的加熱方式一般加熱方式：電阻加熱其他加熱方式：電弧放電、等離子體加熱、高頻感應(yīng)、激光、電子束加熱等1、電弧放電加熱可以在惰性氣氛中制備多種超微金屬粒子，電弧電極對采用所要制備的金屬—金屬（或鎢）電極對如：利用

-Fe作原料，通過電弧放電產(chǎn)生的氣體被載氣帶入加熱爐，保持在911~1393°C，形成

-Fe,通過液氮淬火，獲得

-Fe顆粒2、等離子體加熱分為：熔融蒸發(fā)、粉末蒸發(fā)、活性氫等離子體電弧蒸發(fā)三種過程：（1）向惰性氣體放電產(chǎn)生的等離子體中輸入固體粉末顆粒（2）使獲得的超高溫蒸氣通過急冷裝置在非平衡過程中凝聚關(guān)鍵：輸入顆粒在等離子體中的行為及能否被完全蒸發(fā)如：在10kW的Ar等離子體中從線圈間隙向中心方向以4m/s的速度輸入球形粉末粒子，對于20微米的硅和鈮顆粒可以完全蒸發(fā)，增大到40微米則不能完全蒸發(fā)熱導(dǎo)率與等離子體熱導(dǎo)率成正比，與顆粒粒徑成反比等離子體熱導(dǎo)率與氣體組成有關(guān)，如氫氬混合氣體熱導(dǎo)率>純氬氣熱導(dǎo)率可以通過軸向或徑向進(jìn)料方式將粉體輸入等離子體中加熱3、高頻感應(yīng)加熱如：通過高頻感應(yīng)將底部ZrO2坩堝內(nèi)原料加熱至1800~2000°C，產(chǎn)生的金屬煙焰通過導(dǎo)管向上噴射，隨載氣到達(dá)沉積室的冷壁，凝聚，收集，殘余氣體由頂部逸出可生產(chǎn)磁記錄材料用的高質(zhì)量鐵和鐵磁合金粉體此外還有電子束、離子束、激光束加熱等方式三、真空蒸發(fā)—冷凝法真空蒸發(fā)在固體表面冷凝原材料

蒸氣

粉體優(yōu)點：粒徑分布窄，分散性較好缺點：難以收集改進(jìn)：真空蒸發(fā)后的蒸氣冷凝在動態(tài)油液面上，方便收集1-轉(zhuǎn)盤，2-電動機(jī)，3-帶輪4-蒸發(fā)源，5-容器，6-油和粉體混合物，7-油，8-連接真空泵9-蒸發(fā)源，10-液體，11-真空室，12-微粒13-液膜，14-轉(zhuǎn)動方向可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速控制產(chǎn)物粒徑，通過向油中添加表面活性劑減少粒子間團(tuán)聚四、物理氣相合成方法的應(yīng)用1、納米結(jié)構(gòu)氧化物薄膜如：ZnO:Al/Si(001)和ZnO/Si(001)薄膜的制備以單晶硅為基底，多晶ZnO陶瓷或多晶(ZnO)1-x(Al2O3)x陶瓷為靶材，通過電子束蒸發(fā)，真空蒸發(fā)—凝聚制備基底溫度~250°C

電子束加熱擴(kuò)散蒸發(fā)源

氣態(tài)

碰撞形成聚集體

與表面原子或分子碰撞捕獲原子分子長大，或由于原子或分子脫離變小

增大到一定程度形成晶核，并繼續(xù)長大

晶核之間相連形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)之間被填充，形成薄膜2、BaTiO3-SrTiO3超晶格的制備通過激光束輪流轟擊BaTiO3和SrTiO3靶材，使BaTiO3和SrTiO3輪流在基底上沉積，形成BaTiO3-SrTiO3超晶格形成的超晶格與固溶體Ba0.5Sr0.5TiO3的電/介電性能有很大差別在超晶格界面間存在晶格應(yīng)力BaTiO3在c軸方向的晶胞參數(shù)變大，使介電常數(shù)增大立方SrTiO3:a=3.905?

立方BaTiO3:a=4.031?

四方BaTiO3:a=3.994?,c=4.038?3、NbAl3合金納