材料製備新技術論文
材料製備新技術使製備工藝效率及質量均得到有效提高,這是小編為大家整理的，僅供參考!
篇一
ZnO奈米半導體材料製備
摘 要：文章闡述了一些製備ZnO奈米半導體材料的常用技術，如模板製備法、物理氣相沉積、脈衝鐳射沉積、分子束外延、金屬有機化合物氣相沉積，並分析了各種方法的優缺點。
關鍵詞：ZnO;模板製備法; PVD; PLD; 金屬有機化合物氣相沉積
隨著 科學和商業的飛速 發展，人們對奈米半導體材料有了更加深入的認識，對其在光學器件和電學器件方面的應用產生了濃厚的興趣。最初人們在研究ZnSe和GaN等短波長奈米半導體材料方面取得了一定的進展， GaN製備藍綠光LED的技術已經相當成熟。但是，由於ZnSe穩定性較差，一直使之無法商品化生產。在長期的對寬頻半導體材料的科學研究中，人們發現ZnO半導體奈米材料具有更多的優點。ZnO是一種新型的寬禁帶半導體氧化物材料，室溫下能頻寬度為3.37eV，略低於GaN的3.39eV，其激子束縛能***60 meV***遠大於GaN***25 meV***的激子束縛能。由於奈米ZnO在紫外波段有較強的激子躍遷發光特性，所以在短波長光子學器件領域有較廣的應用前景。此外，ZnO奈米半導體材料還可沉積在除Si以外的多種襯底上，如玻璃、Al2O3、GaAs等，並在 0.4-2μm 的波長範圍內透明，對器件相關電路的單片整合有很大幫助，在光電整合器件中具有很大的潛力。本文闡述了近年來ZnO奈米半導體材料的製備技術，並對這些技術的優缺點進行了分析。
ZnO 是一種應用較廣的半導體材料，在很多光學器件和電學器件中有很廣泛的應用，由此也產生了多種奈米半導體器件的製備方法，主要有以下幾種：
1模板製備法
模板製備法是一種用化學方法進行奈米材料製備的方法，被廣泛地用來合成各種各樣的奈米棒、奈米線、奈米管等。此種方法使分散的奈米粒子在已做好的奈米模板中成核和生長，因此，奈米模板的尺寸和形狀決定了奈米產物的外部特徵。科學家們已經利用孔徑為40 nm和20 nm左右的多孔氧化鋁模板得到了高度有序的ZnO奈米線。鄭華均等人用電化學陽極氧化-化學溶蝕技術製備出了一種新型鋁基奈米點陣模板，此模板由無數奈米凹點和凸點構成，並在此模板上沉積出ZnO奈米薄膜。此外，李長全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸鈉為模板製備出ZnO奈米管。該方法優點：較容易控制奈米產物的尺寸、形狀。缺點：需要模板有較高的質量。
2物理氣相沉積***PVD***
物理氣相沉積可以用來製備一維ZnO奈米線和二維ZnO奈米薄膜，原理是通過對含Zn材料進行濺射、蒸發或電離等過程，產生Zn粒子並與反應氣體中的O反應，生成ZnO化合物，在襯底表面沉積。物理氣象沉積技術已經演化出三種不同的方法，它們是真空蒸發法，真空濺射法和離子鍍，離子鍍是目前應用較廣的。離子鍍是人們在實踐中獲得的一種新技術，將真空蒸發法和濺射法結合起來，在高真空環境中加熱材料使之汽化後通入氫氣，在基體相對於材料間加負高壓，產生輝光放電，通過電場作用使大量被電離的材料的正離子射向負高壓的襯底，進行沉積。張琦鋒、孫暉等人用氣相沉積方法已經制備出了一維ZnO奈米半導體材料。優點：所得到的奈米產物純度高，汙染小;薄膜厚度易於控制;材料不受限制。但是這種方法對真空度要求較高。
3脈衝鐳射沉積***Pulsed Laser Deposition***
脈衝鐳射沉積也稱PLD，常用於奈米薄膜的製備。其工作原理就是用特定波長和功率的鐳射脈衝聚焦光束，濺射真空狀態下特定氣壓中的加熱靶材，鐳射束與靶材相互作用而產生的粒子團噴射到襯底表面，通過控制氣流速度控制材料在襯底表面的沉積速度。牛海軍等人用一種新穎的垂直靶向脈衝鐳射沉積***VTPLD***方法,在常溫常壓空氣環境下,在玻璃基底上得到ZnO奈米薄膜。該方法優點：製備的薄膜物質比例與靶材相同;實驗控制條件較少，易於控制;襯底溫度要求較低。缺點：薄膜雜誌較多;單純濺射產生的粒子團密度不易控制，因此無法大面積生長均勻的薄膜。
4分子束外延***Molecular Beam Epitaxy***
分子束外延***MBE***技術可以製備高質量薄膜。MBE技術可以在特定超高真空條件下較為精確的控制分子束強度，把分子束入射到被加熱的基片上，可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。分子束外延裝置主要包括超高真空系統、分子束源、樣品架、四極質譜計QMS和反射式高能 電子衍射裝置RHEED。周映雪等人利用分子束外延***MBE*** 和氧等離子體源輔助MBE方法分別在三種不同襯底矽***100***、砷化鎵***100***和藍寶石 ***0001***上先製備合適的緩衝層，然後在緩衝層上得到外延生長的ZnO薄膜。該方法優點：生長速度極慢，每秒1～10;薄膜可控性較強;外延生長所需溫度較低。缺點：真空環境要求較高;無法大量生產。目前常用於生長高質量的ZnO薄膜分子束外延有兩種：一種是等離子增強，另一種是鐳射，兩種方法均已生長出高質量的ZnO 薄膜。
5金屬有機化合物氣相沉積*** Metal Organic Chemical Vapor Deposition***:
金屬有機化合物氣相沉積***MOCVD***是一種利用有機金屬在加熱襯底上的熱分解反應進行氣相外延生長薄膜的方法。反應室是MOCVD 的核心部分，它對外延層厚度、組分均勻性、異質結介面梯度、本底雜質濃度以及產量有極大的影響。按反應室形狀的不同，可分為水平式反應室和立式反應室，同時根據反應室的壓力又可分為常壓 MOCVD 和低壓MOCVD。劉成有利用MOCVD方法制備出高質量的ZnO薄膜。在一定襯底溫度及壓強下,製備出ZnO奈米管。該方法優點是： 薄膜可控性較強;適合大批量生產。其缺點有：需精確控制;傳輸氣體有毒性。但目前不僅利用 MOCVD 法已生長出較高質量的 ZnO 薄膜，而且還獲得了 MgZnO 三元系薄膜。
除上述奈米材料的常用製備技術，還有很多其他方法。隨著科技的 發展和高質量奈米產品的需求，人們對奈米半導體材料的研究會更加深入，對其生長機理理解的更為透徹，隨之奈米半導體材料製備技術將不斷地發展和完善。高質量奈米半導體產品會不斷出現，並被廣泛的應用於人們的生活中。
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篇二
奈米材料製備方法研究
摘要:介紹了幾種奈米材料的物理和化學制備方法,並對不同方法的優劣進行了討論。
關鍵詞:奈米材料;物理方法;化學方法
1引言
奈米材料和奈米科技被廣泛認為是二十一世紀最重要的新型材料和科技領域之一。早在二十世紀60年代,英國化學家Thomas就使用“膠體”來描述懸浮液中直徑為1nm-100nm的顆粒物。1992年,《Nanostructured Materials》正式出版,標誌著奈米材料學成為一門獨立的 科學 。奈米材料是指任意一維的尺度小於100nm的晶體、非晶體、準晶體以及介面層結構的材料。當粒子尺寸小至奈米級時,其本身將具有表面與介面效應、量子尺寸效應、小尺寸效應和巨集觀量子隧道效應,這些效應使得奈米材料具有很多奇特的效能。自1991年Iijima首次製備了碳奈米管以來,一維奈米材料由於具有許多獨特的性質和廣闊的 應用前景而引起了人們的廣泛關注。奈米結構無機材料因具有特殊的電、光、 機械和熱性質而受到人們越來越多的重視。美國自1991年開始把奈米技術列入“政府關鍵技術”,我國的 自然 科學基金等各種專案和研究機構都把奈米材料和奈米技術列為重點研究專案。由於奈米材料的形貌和尺寸對其效能有著重要的影響,因此,奈米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作為高階奈米結構材料和奈米器件的基本構成單元***Bui1ding Blocks***,奈米顆粒的合成與組裝是奈米科技的重要組成部分和基礎。本文簡單綜述了納米材料合成與製備中常用的幾種方法,並對其優劣進行了比較。
2奈米材料的合成與製備方法
2.1物理製備方法?
2.1.1機械法?
機械法有機械球磨法、機械粉碎法以及超重力技術。機械球磨法無需從外部供給熱能,通過球磨讓物質使材料之間發生介面反應,使大晶粒變為小晶粒,得到奈米材料。範景蓮等採用球磨法制備了鎢基合金的奈米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得奈米級的Fe-18Cr-9W合金粉末。機械粉碎法是利用各種超微粉機械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉,尤其適用於製備脆性材料的超微粉。超重力技術利用超重力旋轉床高速旋轉產生的相當於重力加速度上百倍的離心加速度,使相間傳質和微觀混合得到極大的加強,從而製備奈米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料,應用超重力技術製備粒徑20nm—80nm、粒度分佈均勻的ZnO奈米顆粒。
2.1.2氣相法?
氣相法包括蒸發冷凝法、溶液蒸發法、深度塑性變形法等。蒸發冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應、等離子體、鐳射、 電子 束、電弧感應等方法使原料氣化或形成等離子體並使其達到過飽和狀態,然後在氣體介質中冷凝形成高純度的奈米材料。Takaki等在惰性氣體保護下,利用氣相冷凝法制備了懸浮的奈米銀粉。杜芳林等製備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等奈米粉體,粒徑在30nm—50 nm範圍內可控。魏勝用蒸發冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發法是將溶劑製成小滴後進行快速蒸發,使組分偏析最小,一般可通過噴霧乾燥法、噴霧熱分解法或冷凍乾燥法加以處理。深度塑性變形法是在準靜態壓力的作用下,材料極大程度地發生塑性變形,而使尺寸細化到奈米量級。有 文獻 報道,Φ82mm的Ge在6GPa準靜壓力作用後,再經850℃熱處理,奈米結構開始形成,材料由粒徑100nm的等軸晶組成,而溫度升至900℃時,晶粒尺寸迅速增大至400nm。
2.1.3磁控濺射法與等離子體法?
濺射技術是採用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子,交換能量或動量,使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出後沉積到基片上形成奈米材料。在該法中靶材料無相變,化合物的成分不易發生變化。目前,濺射技術已經得到了較大的 發展 ,常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子迴旋共振輔助反應磁控濺射等技術。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應性氣氛中通過直流放電使氣體電離產生高溫等離子體,從而使原料溶液化合蒸發,蒸汽達到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高,能製備難熔的金屬或化合物,產物純度高,在惰性氣氛中,等離子法幾乎可製備所有的金屬奈米材料。
以上介紹了幾種常用的奈米材料物理製備方法,這些製備方法基本不涉及複雜的化學反應,因此,在控制合成不同形貌結構的奈米材料時具有一定的侷限性。
2.2化學制備方法?
2.2.1溶膠—凝膠法?
溶膠—凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中,然後經過水解反應生成活性單體,活性單體進行聚合,開始成為溶膠,進而生成具有一定空間結構的凝膠。Stephen等利用高分子加成物***由烷基金屬和含N聚合物組成***在溶液中與H2S反應,生成的ZnS顆粒粒度分佈窄,且被均勻包覆於聚合物基體中,粒徑範圍可控制在2nm-5nm之間。Marcus Jones等以CdO為原料,通過加入Zn***CH?3***?2和S[Si***CH?3***?3]?2製得了ZnS包裹的CdSe量子點,顆粒平均粒徑為3.3nm,量子產率***quantum yield,QY***為13.8%。
2.2.2離子液法?
離子液作為一種特殊的有機溶劑,具有獨特的物理化學性質,如粘度較大、離子傳導性較高、熱穩定性高、低毒、流動性好以及具有較寬的液態溫度範圍等。即使在較高的溫度下,離子液仍具有低揮發性,不易造成 環境汙染,是一類綠色溶劑。因此,離子液是合成不同形貌奈米結構的一種良好介質。Jiang等以BiCl3和硫代乙醯胺為原料,在室溫下於離子液介質中合成出了大小均勻的、尺寸為3μm—5μm的Bi2S3奈米花。他們認為溶液的pH值、反應溫度、反應時間等條件對奈米花的形貌和晶相結構有很重要的影響。他們證實,這些奈米花由直徑60nm—80 nm的奈米線構成,隨老化時間的增加,這些奈米線會從母花上坍塌,最終形成單根的奈米線。趙榮祥等採用硝酸鉍和硫脲為先驅原料,以離子液為反應介質,合成了單晶Bi2S3奈米棒。
2.2.3溶劑熱法?
溶劑熱法是指在密閉反應器***如高壓釜***中,通過對各種溶劑組成相應的反應體系加熱,使反應體系形成一個高溫高壓的環境,從而進行實現奈米材料的可控合成與製備的一種有效方法。Lou等採用單源前驅體Bi[S?2P***OC?8H??17***2]3作反應物,用溶劑熱法制得了高度均勻的正交晶系Bi?2S?3奈米棒,且該方法適於大規模生產。Liu等用Bi***NO3***3•5H2O、NaOH及硫的化合物為原料,甘油和水為溶劑,採用溶劑熱法在高壓釜中160℃反應24-72 h製得了長達數毫米的Bi2S3奈米帶。
2.2.4微乳法?
微乳液製備奈米粒子是近年發展起來的新興的研究領域,具有製得的粒子粒徑小、粒徑接近於單分散體系等優點。1943年Hoar等人首次報道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合,可自發地形成一種熱力學穩定體系,體系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圓柱形顆粒組成,並將這種體系定名微乳液。自那以後,微乳理論的應用研究得到了迅速發展。1982年,Boutonnet等人應用微乳法,製備出Pt、Pd等金屬奈米粒子。微乳法制備奈米材料,由於它獨特的工藝效能和較為簡單的實驗裝置,在實際應用中受到了國內外研究者的廣泛關注。
4結論
奈米材料由於具有特異的光、電、磁、催化等效能,可廣泛 應用於國防軍事和民用 工業 的各個領域。它不僅在高科技領域有不可替代的作用,也為傳統的產業帶來生機和活力。隨著奈米材料製備技術的不斷開發及應用範圍的拓展,工業化生產奈米材料必將對傳統的化學工業和其它產業產生重大影響。但到目前為止,開發出來的產品較難實現工業化、商品化規模。主要問題是:對控制奈米粒子的形狀、粒度及其分佈、效能等的研究很不充分;奈米材料的收集、存放,尤其是奈米材料與奈米科技的生物安全性更是急待解決的問題。這些問題的研究和解決將不僅加速奈米材料和奈米科技的應用和開發,而且將極大地豐富和 發展 材料 科學 領域的基礎理論。
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