陕西科技大学材料学院纳米材料补充-纳米结构课件.ppt

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1、纳米结构纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系．物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞．关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法，根据纳米结构体系构筑过程的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳米结构组装体系；二是纳米结构自组装体系和分子自配装体系．所谓人工纳米结构组装体系，按人类的意志，利用物理和化学的方法人为地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系.这里人的设计和参与制造起到决定性的作用，就好像人们用自己制造的部件装配成非生命的

2、实体(例如，机器、飞机、汽车、人造卫星等)一样，人们同样可以形成具有各种对称性的和周期性的固体，厚膜模板合成纳米阵列厚膜模板合成纳米结构单元(包括零维纳米粒子、准一维纳米棒、丝和管)和纳米结构阵列体系，是物理、化学多种方法的集成，在纳米结构制备科学上占有极其重要的地位，人们可以根据需要设计、组装多种纳米结构的阵列．用模板合成纳米结构给人们以更多的自由度来控制体系的性质，为设计下一代纳米结构的元器件奠定了基础．与其他制备方法相比较，模板组装纳米结构有以下几个优点：(1)利用模扳可以制备各种材料，例如金属、合金、半导体、导电高分子、氧化物、碳及其他材料的纳米结构；(2）可合成分散性好的纳

3、米丝和纳米管以及它们的复合体系，(3)可以获得其他手段难以得到的直径极小的纳米管和丝(3nm)，还可以改变模板柱形孔径的大小来调节纳米丝和管的直径；(4)可制备纳米结构阵列体系；(5)可以根据模板内被组装物质的成分以及纳米管、丝的纵横比的改变对纳米结构性能进行调制．2.1模板的制备和分类厚膜模板是指含有高密度的纳米柱形孔洞，厚度为几十至几百微米厚的膜。常用的模板有两种：1.有序孔洞阵列氧化铝膜板；2.含有孔洞无序分布的高分子膜板．其他材料的模板还有纳米孔洞玻璃、介孔沸石、多孔Si模扳及金属模板．纳米阵列体系的制备主要是采用纳米阵列孔洞厚膜作模板，通过化学、电化学法在高温高压下将熔化的

4、金属压入孔洞,通过溶胶-凝胶法、化学聚合法、化学气相沉积法来获得纳米结构阵列．模板的获得是合成纳米结构阵列的前提，下面主要介绍一下氧化铝、高分子模板和金属模板的特征和合成方法．经退火的高纯铝片(99.999％)在低温的草酸或硫酸溶液中经阳极腐蚀获得氧化铝多孔模板．该模板结构特点是孔洞为六角柱形垂直膜面呈有序平行排列，孔径可在5至200nm范围内调节.孔密度可高达1011个/cm2。(1)氧化铝模板(2)高分子模板通常采用厚度为6—20微米的聚碳酸酯、聚酯和其他高分子膜，通核裂变碎片轰击使其出现许多损伤的痕迹，再用化学腐蚀方法使这些痕迹变成孔洞．这种模板的特点是孔洞呈圆柱形，很多孔洞与

5、膜面斜交，因此在厚膜内有孔通道交叉现象，总体来说，孔分布是无序的。孔的密度大致为109个/cm2。(3)金属模板日本科技工作者用两阶段复型法制备了Pt和Au的纳米孔洞阵列模板．合成过程：在纳米阵列孔洞氧化铝模板的一面用真空沉积法蒸镀上一层金属膜，该金属与要制备的金属模扳的材料相同，这层金属膜在以后的电镀过程中起着催化剂和电极作用。将负复型放入无电镀液中，在孔底金属薄膜催化剂的作用下，金属逐渐填满负复型的孔洞具有贯穿纳米孔洞的Al2O3模板；甲基丙烯甲酯注入和聚合NaOH水溶液浸泡移去氧化铝模板，由此获得聚甲基丙烯酸甲酯的负复型，在此负复型孔底存在一薄层金属薄膜。用丙酮溶去聚甲基丙烯酸

6、甲酯，获得了金属孔洞阵列模板，孔洞直径为70nm左右，模板厚度为1~3微米把纳米结构基元组装到模板孔洞中通常用的方法:电化学沉积无电镀合成化学聚合溶胶-凝胶化学气相沉积法2.2纳米结构的模板合成方法和技术要点根据模板种类的不同，在选择合成组装方法时，必须注意以下方面：(1)化学前驱溶液对孔壁是否浸润?亲水或疏水性质关系到合成组装能否成功的重要关键；(2)应控制在孔洞内沉积速度的快慢，沉积速度过快会造成孔洞通道口堵塞，致使组装失败；(3)控制反应条件，避免被组装介质与模板发生化学反应，在组装过程中保持模板的稳定性是十分重要的．2.2.1电化学沉积适合在氧化铝和高分子模板孔内组装金属和导

7、电高分子的丝和管，例如，制备Cu,Pt,Au,Ni,Ag等纳米丝和纳米管阵列。具体步骤1)模板的一面用溅射或蒸发法涂上一层金属薄膜作为电镀的阴极，2)选择被组装金属的盐溶液作为电解液，3)在一定电解条件下进行组装。优点：通过控制沉积量可调节金属丝的长短，即纵横比1987年Martin等人电化学和模板合成方法结合以聚碳酸脂滤膜为模板成功的制备了Pt(铂)纳米线阵列PennerRM,MartinCR.Anal.Chem.,1987,59,2625CHARLES