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1、贾学伟本科毕业论学 院物理电子工程学院专业物理学年级2008级姓名贾学伟设计题目纳米材料的主要制备方法指导教师 闫海龙 职称 副教授2012年4月28日目录摘要1Abstract 11引言11.1纳米材料的定义 11.2纳米材料的研究意义22纳米材料的主要制备方法32.1化学气相沉积法 32.2溶胶凝胶法 52.3分子束外延法 62.4脉冲激光沉积法82.5静电纺丝法92.6磁控溅射法112.7水热法 122.8其他制备纳米材料的方法133总结14参考文献14致谢15纳米材料的主要制备方法学生姓名：贾学伟学号：学 院：物理电子工程学院 专业：物理学指导教师：闫海龙职称：副教授摘 要 ：纳米材料
2、由于其特殊的性质，近年来引起人们极大的关注。随着纳米科 技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。本文主要介绍了纳米材料的制备方法 , 其中包括化学气相沉积法、溶胶凝胶法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、静电纺 丝法、磁控溅射法、水热法等。在此基础上,分析了现代纳米材料制备方法的发展趋 势。纳米技术对 21 世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展有 重要影响,对生产力的发展有重要作用。关键词：纳米；纳米材料；纳米科技；制备方法The preparation method of nanomaterialsAbstract：Nanomaterials are attracting in
3、tense in recent years. With the development of nanotechnology, nanomaterials preparation method has been more and more mature. The preparation methods sush as, chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy, laser pulse precipitation, sintering, hydrothermal method, sol-gel method are intr
4、oduced in this paper. New development trend of preparation methods are analysed. Nanomaterials will promote the development of IT, medicine, environment, automation technology and energy science, and will have a great influenced on productive in the 21st century.Key words：nanometer；nanomaterials；nan
5、otechnology；preparation1引言1.1纳米材料的定义 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单 元构成的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，这大约相当于10-100个原 子紧密排列在一起的尺度1。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切，当小粒 子尺寸进入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子 隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导 特性，使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值2。纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体四类。其中纳米粉 末开发时间最长、技术最为成熟
6、，是生产其他三类产品的基础。纳米粉末又称为超微 粉或超细粉，一般指粒度在 100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏 观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的 线状材料。纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细 小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。纳米块体是将纳米 粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。1.2 纳米材料的研究意义纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化 学等学科。从包括微
7、电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深 入，人们认识、改造微观世界的水平提高到了前所未有的高度。我国着名科学家钱学 森也曾指出，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次 技术革命，从而将引起 21 世纪又一次产业革命。研究纳米生物学可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关 系，获取生命信息，特别是细胞内的各种信息，利用纳米粒子研制成机器人，注入人 体血管内，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积 物。研究微器件纳米材料，特别是纳米线，可以使芯片集成度提高，电子元件体积缩 小，使半导体技术取得突破性进展，大大提高了计
8、算机的容量和进行速度，对微器件 制作起决定性的推动作用。纳米材料由于其特殊的电子结构与光学性能作为非线性光 学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料，以及包括太阳能电池在内的 储能及能量转换材料等具有很高的应用价值。近年来，随着纳米技术的悄然崛起，纳 米环保也会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力。德国科学家正在设计用 纳料材料制作一个高温燃烧器，通过电化学反应过程，不经燃烧就把天然气转化为电 能。燃料的利用率要比一般电厂的效率提高 20%至 30%，而且大大减少了二氧化碳的 排气量。纳米材料由于具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物性能，广泛应用 工业和民用等领域。随着纳
9、米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展，工业化生 产纳米材料必将对传统的化学工业和其它产业产生重大影响。纳米科技的研究在短短 的数年中取得了巨大的成绩，它在高科技领域的应用也将越来越广，人们正致力于纳 米新材料的研制，如：新型光电转换材料，光催化有机物降解材料，保洁抗菌涂层材 料，生态建材，新型的磁性液体和磁记录材料，纳米半导体材料等。这些新纳米材料 有着广阔的应用前景，它们的成功研制将给人们的生活带来巨大的变化3。2 纳米材料的主要制备方法纳米材料的制备方法有很多种，而且每种方法的效果不一样，本文简单综述了纳 米材料制备中常用的几种方法，包括化学气相沉积法、溶胶凝胶法、分子束外延法、 脉冲
10、激光沉积法、静电纺丝法、磁控溅射法、水热法等。普通人通过阅读本文可以对 纳米材料的制备方法有一个全面的了解。2.1 化学气相沉积法2.1.1 化学气相沉积法的原理化学气相沉积是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法，该方法是在 一个加热的衬底上，通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米 材料的过程。它利用挥发性的金属化合物的蒸发，通过化学反应生成所需化合物在保 护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米微粒。图 1 化学气相沉积法的原理2.1.2 化学气相沉积法的研究现状化学气相沉积法制备纳米碳材料的原理是碳氢化合物在较低温度下与金属纳米 颗粒接触时通过其催化作用而直接
11、生成。化学气相沉积法制备碳纳米管的工艺是基于 气相生长碳纤维的制备工艺。在研究气相生长碳纤维早期工作中就己经发现有直径很 细的空心管状碳纤维，但遗憾的是没有对其进行更详细的研究4。直到 Iijima 在高 分辨透射电子显微镜发现产物中有纳米级碳管存在，才开始真正的以碳纳米管的名义 进行广泛而深入的研究。化学气相沉积法制备碳纳米管的原料气，国际上主要采用乙炔，但也采用许多别 的碳源气体，如甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、甲醇、乙醇、二甲苯等。在过 渡金属催化剂铁钴镍催化生成的碳纳米管时，使用含铁催化剂，多数得到多壁碳纳米 管；使用含钴催化剂，大多数的实验得到多壁碳纳米管；过渡金属的混合物比单一
12、金 属合成碳纳米管更有效。铁镍合金多合成多壁碳纳米管，铁钴合金相比较更容易制得 单壁碳纳米管。此外，两种金属的混合物作为催化剂可以大大促进碳纳米管的生长。 许多文献证实铁、钴、镍任意两种的混合物或者其他金属与铁、钴、镍任何一种的混 合物均对碳纳米管的生长具有显着的提高作用，不仅可以提高催化剂的性能，而且可 以提高产物的质量或者降低反应温度。催化裂解二甲苯时，将适量金属铽与铁混合， 可以提高多壁碳纳米管的纯度和规则度。因而，包括像烃及一氧化碳等可在催化剂上 裂解或歧化生成碳的物料均有形成碳纳米管的可能。Lee Y T等讨论了以铁分散的 二氧化硅为基体，乙炔为碳源所制备的垂直生长的碳纳米管阵列的生
13、长机理，并提出 了碳纳米管的生长模型。Mukhopdayya K等提出了一种简单而新颖的低温制备碳纳 米管阵列的方法。该法以沸石为基体，以钴和钒为催化剂，仍是以乙炔气体为碳源。 Pna Z W等以乙炔为碳源，铁畦纳米复合物为基体高效生长出开口的多壁碳纳米管 阵列。2.1.3 总结化学气相沉积法该法制备的纳米微粒颗粒均匀，纯度高，粒度小，分散性好，化 学反应活性高，工艺可控和连续，可对整个基体进行沉积等优点。此外，化学气相沉 积法因其制备工艺简单，设备投入少，操作方便，适于大规模生产而显示出它的工业 应用前景。因此，化学气相沉积法成为实现可控合成技术的一种有效途径。化学气相 沉积法缺点是衬底温度
14、高。随着其它相关技术的发展，由此衍生出来的许多新技术， 如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、等离 子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。化学气相沉积法是纳米薄膜 材料制备中使用最多的一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。用化 学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等 膜材料。总之，随着纳米材料制备技术的不断完善，化学气相沉积法将会得到更广泛 的应用。2.2溶胶凝胶法2.2.1 溶胶凝胶法的原理溶胶凝胶法是用易水解的金属化合物（无机盐或金属盐）在某种溶剂中形成均 质溶液，溶质发生水解反应生成纳米级的粒子并
15、形成溶胶，溶胶经蒸发干燥转变为凝 胶（该法为低温反应过程，允许掺杂大剂量的无机物和有机物），再经干燥、烧结等后 处理得到所需的材料，其基本反应有水解反应和聚合反应。该法涉及到溶胶和凝胶两 个概念。所谓溶胶是指分散在液相中的固态粒子足够小，以致可以通过布朗运动保持 无限期的悬浮；凝胶是一种包含液相组分且具有内部网络结构的固体，此时的液体和 固体都呈现一种高度分散的状态。采用溶胶凝胶法制备材料的具体技术或工艺过程 相当多，但按其产生溶胶凝胶过程的机制不外乎三种类型，即传统胶体型、无机聚 合物型和配合物型8。图 2 溶胶凝胶法的过程图2.2.2 溶胶凝胶法的研究现状中国科学院固体物理研究所张立德研究
16、员利用碳热还原、溶胶凝胶软化学法并 结合纳米液滴外延等新技术，首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体二氧化硅纳米电 缆。在溶剂热合成纳米材料方面作了许多工作，并取得了很大的成果。薛天峰，胡季 帆等在200mL烧杯中用少量水溶解一定比例的Al(NO) 9H O,加入适量柠檬酸和少3 3 2许聚乙二醇，65C下搅拌，形成溶胶，直至脱水，形成原粉，前驱体450C热处理， 制备得掺杂Ah+的纳米ZnO，其平均晶粒分别为40nm和35nm。Ken等口。用凝胶法制备 出粒径为 2.5-4.7nm 的 CdSe 纳米晶体，通过改变喷射时间和温度以及加入到 TOPO 溶剂中的(Me) Cd/TOP和TOP-Se混合物的质量，可以控制晶体的
