納米材料的制備技術綜述

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，近年來受到人們極大的關注。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 為物理方法和化學方法。目前，各國科學家在納 M 材料的研究方面已取得了顯 著的成果。納M材料將推動21世紀的信息技術、醫(yī)學、環(huán)境、自動化技術及能 源科學的發(fā)展 , 對生產力的發(fā)展產生深遠的影響。關鍵字納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成的晶體、非晶體、準晶體以及界面層結構的材料的 材料，這大約相當于 10100 個原子緊密排列在一起的

2、尺度。通常材料的性能與 其顆粒尺寸的關系極為密切。當晶粒尺寸減小時 , 晶界相的相對體積將增加 ,其 占整個晶體的體積比例增大 , 這時,晶界相對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。當小粒子尺寸加入納 M量級時,其本身具有體積效應、 表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等。從而使其具有奇異的力學、 電學、光學、熱學、化學活性、催化和超導特性。使納 M 材料在各種領域具有 重要的應用價值。由于它的尺寸已經接近電子的相干長度，它的性質因為強相 干所帶來的自組織使得性質發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光

3、的波長，加 上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學、 導熱、導電特性等等，往往不同于該物質在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質。由于納 M 粒子有極高的表面能和擴散率 , 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)時間最長、技術最為成熟，是生產其他三類產品的基礎。納M粉末又稱為超微粉或超細粉，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 尺度而長度較大的線狀材料。靜電紡絲法是目前制備無機物納 M 纖 維的一種簡單易行的方法。納 M膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納 M顆粒粘 在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納M級的薄膜。納M塊體是將納M粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納M晶粒材料。3 .納M薄膜與納M結構納 M 薄膜是指由尺寸為納 M 數(shù)量級 （1100nm） 的組元鑲嵌于基體所形成 的薄膜材料，它兼具傳統(tǒng)復合材料和現(xiàn)代納M材料二者的優(yōu)越性。納 M薄膜可以改善一些機械零部件的表面性能，以減少振動，降低噪聲，減小摩擦， 延

5、長壽命。這些薄膜在刀具、微機械、微電子領域作為耐磨、耐腐蝕涂層及 其它功能涂層獲得重要應用。目前，科研人員已從單一材料的納M薄膜轉向納M復合薄膜的研究，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結構通常是指尺寸在 100nm以下的微小結構。納 M結構的基本單元有下述幾 種：1零維：團簇、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）因為納 M 單元往往具有量子性質，所以對零維、一維和二維的基 本單元又有量子點、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)邦德國的 S

6、aarlands 大學 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制備了納 M金屬顆粒后，多種技術制備的納M材 料已達上百種 , 制備方法更 . 多樣更成熟。制備方法包括化學氣相沉積法、分子 束外延法、脈沖激光沉淀法、固相燒結法、水熱法、溶膠凝膠法等。4.1化學氣相沉積（CVD）是迄今為止氣相法制備納 M材料應用最為廣泛的方 法, 該方法是在一個加熱的襯底上 , 通過一種或幾種氣態(tài)元素或化合物產生的化 學元素反應形成納M材料的過程，該方法主要可分成熱分解反應沉積和化學反應 沉積。該法具有均勻性好 , 可對整個 基體進行沉積等優(yōu)點。其缺點是襯底溫度高。隨著其它相關技術的

7、發(fā)展 , 由此衍 生出來的許多新技術 , 如金屬有機化學缺陷相沉積、熱絲化學氣相沉積、等離子 體輔助化學氣相沉積門、等離子體增強化學氣相沉積及激光誘導化學氣相沉積 等技術。中國科學院物理研究所解思深研究員等利用化學氣相法高效制備出孔 徑約20納M長度約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,即把原材料通過加熱,轉化為氣態(tài), 然后在真空中膨脹 , 再在襯底上凝結 , 進行外延生長 1 。由于半導體薄膜要求的 高純度, 所以這種技術主要依賴于真空技術的發(fā)展。隨著超高真空技術的發(fā)展、 源控制技術的進步、襯底表面處理技術以及生長過程實時監(jiān)測技術的改進 , 這種 方法已經成為比

8、較先進的薄膜生長技術。激光分子束外延技術主要的參數(shù)是生 長溫度、激光脈沖重復頻率、環(huán)境氣體壓力以及激光脈沖能量密度等 , 國外已有 報道取得了一些重要的成果。美國的 Ryu 丫 R, Zhu S等已經制作出摻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物體進行轟擊，然后將轟擊出來的 物質沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。當前，脈沖激光 沉積法在難熔材料及多組分材料 （如化合物半導體、超導材料 ）的精密薄膜， 尤其是外延單晶納M薄膜及多層結構薄膜的制備上顯示出廣闊前景。4.4固相燒結法是制備納 M薄膜塊的傳統(tǒng)

9、方法，通常是利用金屬化合物的 熱分解來制備超微粒。燒結溫度是重要的實驗條件之一 , 它決定了材料的微觀 結構及性能 , 從而 , 尋找最佳的燒結溫度 , 研究溫度對材料結構和性能的影響 具有重要的意義。4.5 水熱法是通過高溫高壓在水溶液或蒸汽等流體中合成物質 , 再經分離和 熱處理得到納M微粒。水熱條件下離子反應和水解反應可以得到加速和促進，使 一些在常溫下反應速度很慢的熱力學反應 , 在水熱條件下可以實現(xiàn)快速反應 , 依 據(jù)反應類型不同分為 : 水熱氧化、還原、沉淀、合成、水解、結晶等 , 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（無機鹽或金屬鹽 ）在某種溶劑中與水發(fā)生反應 , 經過水解與縮聚過程逐漸凝膠化 , 再經干燥、燒結等后處理得 到所需的材料 , 其基本反應有水解反應和聚合反應 , 它可在低溫下制備純度高、粒徑分布均勻、化學活性高的單、多組份混合物 (分子級混合), 并可制備傳統(tǒng)方 法不能或難以制備的產物。中國科學院固體物理研究所張立德研究員利用碳熱 還原、溶膠-凝膠軟化學法并結合納M液滴外延等新技術，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。我國清華大學曾庭英等人采用醇鹽法制備納M級微孔TiO2玻璃球,孔徑為1.06.0nm。5. 總結納M材料結構和性能的研究，將隨著制備方法的改進和新型納M材料的誕生而拓寬和深入。這方面的研究需要材料科學、物理學和化學等基礎學科及化學 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 :1 CowenJA.， SotltzmnaB， Avebrakc R S et alJ.J.APPI.Phys，. 1987， 61(8):33172 Ledenstor N

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