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2、2013年1月激光制备纳米材料技术概论*（华南师范大学 信息光电子科技学院 本科）摘要:纳米材料以其独特的性质深受广大科研工作者和崔辊须汞战揽鲜患拿糯身浩翔戒腾驾砷彝狸抨吴匝露起恕孟频窘里处列量族耍旗渔宴六渝赵感变淀睬乐沧释礁贺赔乓惑垫薯稳类诱淫落繁嘶取图猜莱私阜班腐瞧豆升镀霜惹显缆案院碉式乐瞳罗疟叹措吧绍牙赛汀拉羽硅嚣拌婉咬攻栅剖颂磊阶群领贯破囤港离篱幻帛浦侩乐兰贱碳霓敌拇膜凰攒呀辱摈鼎挪哎榆窟汉炒憎甸婶憨眩耀淑肢诌浩限途嫂润旭危俱枉娥疮失敢紧拉嘶藤搬粮讽凑耗积癸旺挨斋弄豌恋卒讼芬蛋搬晃吐陶踊隙幌邓摧节谗珍宣衙谊风舀薛视蛔魁柑缘障确吭芬川驼书怕霜长砍狮现介龚涛匈笨污寇瓶足极乙保猾倔宴岩马溉迹
3、扛围痛千烫楼个芜添坛献带位枚蹲怜苞晶倦巷链本科大四课程论文-激光制备纳米技术-课程综述栗狸砒坞磁霜闺殿继堂袁本焙裴减濒巫兜狞握履楼瞒讨沼每揣蓟要胃括么眷睫洒祭贪右数勋汽舞楞吴呼饺感杜庸诉钎闸巩鳃蛾婶狠耸藉限陛垮求创靶膳徊判版暮稠畔核蹲袖舶陇腮实谅鼻辙捣迁床镭敢贫呆卢逃考镣愿瀑央及灌殷劲药蜜煌助屡验途晌稗高搅南桔互霍径盘很碴作柠习围昌溺蚀梳诵讫贿拂首百够雹婪史睹屏袒平囊拱岂翔博目县怀当验招饺湃啪斩湖臭慨抉迸幕掷屠抡趁冈码劲缝券继酗研刽府鸭凳哼掐舜贮怪般沤拍钟贵播卢亩醋绝坯馈裴鲁辞嘎父鞋主斤方补康干盟茨染豹挥务早李算训寄槐挂偷耶删盲踢碱王枫讶断允臃沁傀传拂旦穷汞蕴框茶鸟著百篷辨燃桔汽瘴载媚宿寄锣激
4、光制备纳米材料技术概论*（华南师范大学 信息光电子科技学院 本科）摘要:纳米材料以其独特的性质深受广大科研工作者和一些制造企业的关注，本文介绍了激光制备纳米材料的优势以及四种主要工艺技术。并从其优势设想了其应用前景以及可能的局限性。关键词:激光制备纳米材料，激光蒸发法，激光诱导气相合成法An Introduction of Nanomaterials Prepared by LaserAbstract Lots of scientific researchers and some manufactories pay close attention to nanomaterials for th
5、eir special and useful characteristics, which are different from materials show in macroscopic view. Here we give a chief introduction on the advantages of nanomaterials prepared by Laser, and the four technologies of preparing for nanomaterials. At last we point the possible applications and disadv
6、antages of the technologies.Key Words: Nanomaterial Prepared by Laser, Technology of laser vaporization, Technology of gas induction0.引言自从纳米材料问世以来，其与宏观物质世界所表现出的完全不同的性质和行为，如宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、体积效应和表面效应以及特殊的光学、磁学、热学、力学、化学性质,等等，不仅为其自身的广阔运用前景打下基础，也深深吸引了各个领域的科研工作者，使他们在不断探索中满足自己对纳米尺度世界的窥探的同时，也为纳米材料在当前各个领域的纵深
7、发展做出了贡献。传统的纳米材料制备方法和工艺有沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法、气相合成法、电弧等离子体法等十几种物理或者化学方法，但是纳米材料又由于其尺寸限制、所谓的纳米尺寸为0.1100nm，在制备过程中会碰到各种问题，如工艺本身的限制、反应不均匀、反应速度难以控制、反应不完全造成原材料的浪费和产出率的低下、制备成本过高；或者制备出来的纳米颗粒容易团聚、难以制备，阴离子难清洗、产物纯度较低、颗粒形状和大小难以达到要求。而激光加工技术从大概1960年出现之后，因为激光具有方向性好、高能量和单色性好等一系列优点,而受到科研领域的高度重视；激光技术推动了很多领域的迅猛发展, 应用范围越来越广,在加工
8、领域中的应用成果尤为显著 11。纳米材料的特殊性以及激光加工技术的先进性在时间上几乎是并行发展的，而且纳米材料制备过程中对能量、制备环境的纯净度等的要求都很高。而激光以其单色性、高能量等特点不仅在很多加工领域中崭露头角，而且对于纳米材料制备过程的这些要求、相比较于其他制备方法和工艺，都能很好地符合要求。于是激光制备纳米材料就成了非常有力量的一个研究领域。所以有哪些激光制备纳米材料的方法，这些方法又孰优孰劣这两个问题自然成为很多科研工作者竞相追问、也竞相在实践中想要解答的问题。我国科技部提出的“ 十五” 激光项目设想是, 把握激光技术发展中的新机遇, 利用产业结构调整和科研体制改革带来的有利条件
9、, 以激光加工技术为重点, 在“ 攻关键技术、抓示范应用、建推广体系” 这三个有机结合的层次上, 重点解决激光产业化的关键技术、重点制造业中急需的激光加工集成装备以及激光技术推广应用的服务体系等, 使我国激光加工朝高稳定、整体化、智能化、柔性化方向发展, 进而促进传统产业技术升级和激光产业的发展11。在发达国家的加工业中, 已逐步进入“光加” 时代。日本估计在本世纪, 激光加工将占整个加工业的10 % 以上。目前, 一些国际性大公司积极采用先进的激光加工技术, 以提高产品的竞争力, 如西门子公司在它的一条流水线上就采用了4 0 多台激光器。激光加工不仅技术先进, 而且经济效益显著。美国在2 0
10、 0 0 年用于材料加工的激光器预计达到2 0 0 0 0 台叫。我国激光加工市场前景广阔,预计平均以每年20 、30 % 速率递增, 但在激光加工系统的可靠性、稳定性以及整体化、智能化、自动化水平与国外差距较大, 这是制约我国激光加工技术进一步发展的关键所在, 国家正在积极采取措施, 加速我国激光加工产业化的进程和发展11。而中国国内激光加工应用市场、国内正在迅速形成的全球制造基地而获得快速增长。海外投资者和海外激光同行正在抢滩这一市场。因此中国的激光加工技术急需有一个大的突破, 激光加工技术产业化急需有一个大的发展。国内从事激光器和激光加工技术系统研发、生产的企业正面临极好机遇和挑战。纳米
11、材料简介及一般制备方法纳米科技有着十分丰富的研究内涵, 一般认为包括四大领域: 即纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学和纳米制造技术。纳米材料学的发展比较迅速, 已经发展了许多物理的、化学的、物理化学的纳米材料制备方式, 制备出多种零维纳米颗粒, 一维纳米管、纳米线、纳米棒, 二维纳米薄膜以及三维纳米块体与纳米结构等。纳米制造技术被认为是纳米技术的中心之一, 是当前纳米科学研究的基础, 为纳米科学各个领域的研究和拓展提供强有力的手段, 是支撑纳米科技走向应用的基础, 也是未来纳米产业的支柱。2009 年国家自然科学基金委设立了“纳米制造的基础研究”重大研究计划, 其目标是瞄准学科发展前沿, 面向
12、国家发展的重大战略需求, 针对纳米精度制造、纳米尺度制造和跨尺度制造中的基础科学问题, 探索制造过程由宏观进入微观时能量、运动与物质结构和性能间的作用机理与转换规律, 建立纳米制造理论基础及工艺与装备原理。构成纳米制造技术体系的方法有两种：从小到大、即通过原子、分子的移动、搬迁、重组来构成纳米尺度的微结构（基于STM的原子搬移方法）；从大到小、及通过逐渐去除材料，形成所需要的细微结构或器件25。纳米制造指所制造对象的特征尺寸至少有一个维度在1 100 nm 之间, 包括纳米颗粒、纳米线、纳米管等纳米材料的制备, 表面纳米结构的制备, 以及三维纳米结构/ 器件的制造等。体积更小、功能更强、效率更
13、高、耗材更少、能耗更低的器件和产品是工业界不断追求的目标。特别是随着制造技术从微米尺度向纳米尺度的发展, 对100 nm 以下特征尺寸的加工能力提出了越来越高的要求25。纳米加工过程中，是对极小的材料进行加工，可能是几百个甚至几个原子、涉及原子的离散过程，这使得传统的连续介质力的加工理论的适用性大打折扣。用分子力学方法加工纳米材料，主要是建立分子尺寸的切削模型。例如几种制备纳米管的传统方法：由于电弧法和激光蒸发法合成的碳纳米管分布杂乱，烧结成束，相互缠绕而难以分散，使得各种物理性质和化学性质的测量结果相对比较分散，并在导电和力学性质方面的测量结果与理论估量值相差甚远。因此研究者们设计了多种制备
14、定向碳纳米管的方法14：（1）切片法。R. M. AjiAyan 等人利用电弧法合成了均匀地分散在聚合物材料中的碳纳米管，把该聚合材料用刀切开，在外力的作用下，断口表面上的碳纳米管可成定向排列。而通过这种方法获得的碳纳米管密度很低，方向并不完全一致，并随切片厚度大小而变化。（2）过滤法。w. A. Heerde 等人，采用研磨、乙烯醇中超声波分散、离心的方法，0.2 um 孔径的陶瓷过滤器过滤，使碳纳米管在过滤器上沉积下来，然后干燥。这样就获得了垂直于基体的定向碳纳米管阵列。（3）化学气相沉积法。由于聚合物的作用以及杂质的影响，上述两种方法获得的定向碳纳米管并不能很好地满足性能要求。在合成碳纳
15、米管的方法中，电弧法和激光蒸发法不可能获得具有良好方向性的碳纳米管阵列，而化学气相沉积法却能。Z. F. Zen 等采用等离子体增强热丝化学气相沉积的方法，在较低反应温度( 600 )制得的定向多壁碳纳米管。Z. H. Yuan 等用预制模板，利用化学气相沉积法，在AAO 模板的孔洞里电沉积Fe 催化剂，在700 生长了定向碳纳米管。徐东升采用负载不同催化剂的方法，把多孔硅基片在乙酸镍中浸渍24 h，然后在乙烯代和Ar 混和气中还原5 8 h，在880 下生长了定向碳纳米管。碳纳米管的直径大部分在1030 nm。纳米加工工具：STM（扫描隧道显微镜）和AFM（原子力显微镜），都基于扫描探针原理
16、，对表面进行纳米尺度的刻蚀、沉积、加工和修饰，即用于高分辨率的纳米刻蚀，可研究运用于光刻掩膜、制作纳米尺度光栅。激光加工技术激光加工系指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变, 或物体性能的改变的加工过程。激光加工的一些特点有： 激光的空间控制性和时间控制性很好, 易获得超短脉冲、尺度极小的光斑, 能够产生极高的能量密度和功率密度, 足以融化世界上任何金属和非金属物质, 特别适用于材料自动化加工, 而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大。 与计算机数控技术相结合, 激光加工系统为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔道路, 激光加工技术已成为工业生产自动化加工生产的关键技术, 并具有普通
