納米材料的制備技術(shù)綜述

1、納M材料的制備方法綜述摘要：納M材料由于其的特殊性質(zhì)，近年來(lái)受到人們極大的關(guān)注。隨著納M科技的發(fā)展，納 M 材料的制備方法已日趨成熟。納 M 材料的制備方法一般可歸納 為物理方法和化學(xué)方法。目前，各國(guó)科學(xué)家在納 M 材料的研究方面已取得了顯 著的成果。納M材料將推動(dòng)21世紀(jì)的信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、自動(dòng)化技術(shù)及能 源科學(xué)的發(fā)展 , 對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。關(guān)鍵字納M材料納M科技1. 納M材料的介紹納M材料是指在三維空間中至少有一維處于納 M尺度范圍（1納100納M） 或由它們作為基本單元構(gòu)成的晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體以及界面層結(jié)構(gòu)的材料的 材料，這大約相當(dāng)于 10100 個(gè)原子緊密排列在一起的

2、尺度。通常材料的性能與 其顆粒尺寸的關(guān)系極為密切。當(dāng)晶粒尺寸減小時(shí) , 晶界相的相對(duì)體積將增加 ,其 占整個(gè)晶體的體積比例增大 , 這時(shí),晶界相對(duì)晶體整體性能的影響作用就非常顯 著。此外 ,由于界面原子排列的無(wú)序狀態(tài) ,界面原子鍵合的不飽和性能都將引起 材料物理性能上的變化。當(dāng)小粒子尺寸加入納 M量級(jí)時(shí),其本身具有體積效應(yīng)、 表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。從而使其具有奇異的力學(xué)、 電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)活性、催化和超導(dǎo)特性。使納 M 材料在各種領(lǐng)域具有 重要的應(yīng)用價(jià)值。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相 干所帶來(lái)的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光

3、的波長(zhǎng)，加 上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、 導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。由于納 M 粒子有極高的表面能和擴(kuò)散率 , 粒子間能充分接近 , 從而范德華力得以充分發(fā) 揮,使得納M粒子之間、納M粒子與其他粒子之間的相互作用異常激烈，這種作 用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、燒結(jié)等性能。2. 納M材料的分類納M材料大致可分為納M粉末、納M纖維、納M膜、納M塊體等四類。其 中納M粉末開發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。納M粉末又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在 100納M以下的粉末或顆粒，是一一種介于原子、分子

4、與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。納 M 纖維指 直徑為納 M 尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料。靜電紡絲法是目前制備無(wú)機(jī)物納 M 纖 維的一種簡(jiǎn)單易行的方法。納 M膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納 M顆粒粘 在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納M級(jí)的薄膜。納M塊體是將納M粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納M晶粒材料。3 .納M薄膜與納M結(jié)構(gòu)納 M 薄膜是指由尺寸為納 M 數(shù)量級(jí) （1100nm） 的組元鑲嵌于基體所形成 的薄膜材料，它兼具傳統(tǒng)復(fù)合材料和現(xiàn)代納M材料二者的優(yōu)越性。納 M薄膜可以改善一些機(jī)械零部件的表面性能，以減少振動(dòng)，降低噪聲，減小摩擦， 延

5、長(zhǎng)壽命。這些薄膜在刀具、微機(jī)械、微電子領(lǐng)域作為耐磨、耐腐蝕涂層及 其它功能涂層獲得重要應(yīng)用。目前，科研人員已從單一材料的納M薄膜轉(zhuǎn)向納M復(fù)合薄膜的研究，薄膜的厚度也由數(shù)微M發(fā)展到數(shù)納M的超薄膜。納 M結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在 100nm以下的微小結(jié)構(gòu)。納 M結(jié)構(gòu)的基本單元有下述幾 種：1零維：團(tuán)簇、人造原子、納M微粒2 一維：納 M線、納 M管、納 M棒、納 M 纖維 3 二維：納 M 帶、超薄膜、多層膜（體系至少有一維尺寸在納 M 數(shù)量級(jí)）因?yàn)榧{ M 單元往往具有量子性質(zhì)，所以對(duì)零維、一維和二維的基 本單元又有量子點(diǎn)、量子線和量子阱之稱。4. 納M材料的主要制備方法自 1984 年原聯(lián)邦德國(guó)的 S

6、aarlands 大學(xué) Gleiter 等人采用惰性氣體凝聚和 超高真空條件下原位加壓的技術(shù)制備了納 M金屬顆粒后，多種技術(shù)制備的納M材 料已達(dá)上百種 , 制備方法更 . 多樣更成熟。制備方法包括化學(xué)氣相沉積法、分子 束外延法、脈沖激光沉淀法、固相燒結(jié)法、水熱法、溶膠凝膠法等。4.1化學(xué)氣相沉積（CVD）是迄今為止氣相法制備納 M材料應(yīng)用最為廣泛的方 法, 該方法是在一個(gè)加熱的襯底上 , 通過(guò)一種或幾種氣態(tài)元素或化合物產(chǎn)生的化 學(xué)元素反應(yīng)形成納M材料的過(guò)程，該方法主要可分成熱分解反應(yīng)沉積和化學(xué)反應(yīng) 沉積。該法具有均勻性好 , 可對(duì)整個(gè) 基體進(jìn)行沉積等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是襯底溫度高。隨著其它相關(guān)技術(shù)的

7、發(fā)展 , 由此衍 生出來(lái)的許多新技術(shù) , 如金屬有機(jī)化學(xué)缺陷相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積、等離子 體輔助化學(xué)氣相沉積門、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積及激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積 等技術(shù)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所解思深研究員等利用化學(xué)氣相法高效制備出孔 徑約20納M長(zhǎng)度約100微M的碳納M管。4.2分子束外延（MBE是一種真空蒸發(fā)技術(shù),即把原材料通過(guò)加熱,轉(zhuǎn)化為氣態(tài), 然后在真空中膨脹 , 再在襯底上凝結(jié) , 進(jìn)行外延生長(zhǎng) 1 。由于半導(dǎo)體薄膜要求的 高純度, 所以這種技術(shù)主要依賴于真空技術(shù)的發(fā)展。隨著超高真空技術(shù)的發(fā)展、 源控制技術(shù)的進(jìn)步、襯底表面處理技術(shù)以及生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的改進(jìn) , 這種 方法已經(jīng)成為比

8、較先進(jìn)的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)。激光分子束外延技術(shù)主要的參數(shù)是生 長(zhǎng)溫度、激光脈沖重復(fù)頻率、環(huán)境氣體壓力以及激光脈沖能量密度等 , 國(guó)外已有 報(bào)道取得了一些重要的成果。美國(guó)的 Ryu 丫 R, Zhu S等已經(jīng)制作出摻As的 p型ZnO薄膜,電阻率為10-3 Q cm,空穴載流子濃度為1019cm34.3 脈沖激光沉積是一種利用激光對(duì)物體進(jìn)行轟擊，然后將轟擊出來(lái)的 物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。當(dāng)前，脈沖激光 沉積法在難熔材料及多組分材料 （如化合物半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料 ）的精密薄膜， 尤其是外延單晶納M薄膜及多層結(jié)構(gòu)薄膜的制備上顯示出廣闊前景。4.4固相燒結(jié)法是制備納 M薄膜塊的傳統(tǒng)

9、方法，通常是利用金屬化合物的 熱分解來(lái)制備超微粒。燒結(jié)溫度是重要的實(shí)驗(yàn)條件之一 , 它決定了材料的微觀 結(jié)構(gòu)及性能 , 從而 , 尋找最佳的燒結(jié)溫度 , 研究溫度對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的影響 具有重要的意義。4.5 水熱法是通過(guò)高溫高壓在水溶液或蒸汽等流體中合成物質(zhì) , 再經(jīng)分離和 熱處理得到納M微粒。水熱條件下離子反應(yīng)和水解反應(yīng)可以得到加速和促進(jìn)，使 一些在常溫下反應(yīng)速度很慢的熱力學(xué)反應(yīng) , 在水熱條件下可以實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng) , 依 據(jù)反應(yīng)類型不同分為 : 水熱氧化、還原、沉淀、合成、水解、結(jié)晶等 , 該法制 得的納M粒子純度高、分散性好、晶形好且大小可控。郭景坤等人采用高壓水 熱處理 , 將化學(xué)制得

10、的 Zr（OH）4 膠體置于高壓釜中 , 控制合適的溫度和壓力 , 使 氫氧化物進(jìn)行相變，成功地得到了 1015nm的形狀規(guī)則的ZrO2超微粒。4.6 溶膠凝膠法是用易水解的金屬化合物（無(wú)機(jī)鹽或金屬鹽 ）在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng) , 經(jīng)過(guò)水解與縮聚過(guò)程逐漸凝膠化 , 再經(jīng)干燥、燒結(jié)等后處理得 到所需的材料 , 其基本反應(yīng)有水解反應(yīng)和聚合反應(yīng) , 它可在低溫下制備純度高、粒徑分布均勻、化學(xué)活性高的單、多組份混合物 (分子級(jí)混合), 并可制備傳統(tǒng)方 法不能或難以制備的產(chǎn)物。中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所張立德研究員利用碳熱 還原、溶膠-凝膠軟化學(xué)法并結(jié)合納M液滴外延等新技術(shù)，首次合成了碳化鉭納 M絲外包

11、絕緣體SiO2納M電纜。在溶劑熱合成納 M材料方面作了許多工作， 并取得了創(chuàng)造。我國(guó)清華大學(xué)曾庭英等人采用醇鹽法制備納M級(jí)微孔TiO2玻璃球,孔徑為1.06.0nm。5. 總結(jié)納M材料結(jié)構(gòu)和性能的研究，將隨著制備方法的改進(jìn)和新型納M材料的誕生而拓寬和深入。這方面的研究需要材料科學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科及化學(xué) 工程等多方面的密切配合和協(xié)作。納M材料作為一門新興的材料門類，必將有著十分廣闊和誘人的發(fā)展前景。6. 參考文獻(xiàn) :1 CowenJA.， SotltzmnaB， Avebrakc R S et alJ.J.APPI.Phys，. 1987， 61(8):33172 Ledenstor N

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