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纳米材料自组 装的方法和基本特征

 广东国规防静电技术检验中心有限公司

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随着纳米材料科学技术的发展,人们关注的热点己转向如何利用纳米材料来挖 掘出奇特的物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料等。纳米组 装材料体系以及人工组 装合成低维纳米材料更是引起了人们广泛的兴趣。目前,纳米材料的自组 装法主要是通过先制较低维纳米材料,然后通过后续自组 装过程来获得各种超结构,由于低维(一维或二维)结构材料的物理、化学性能与体材料有明显的不同,尤其当至少有一维尺寸位于纳米范围内时,将会有许多有趣的性能出现。如体材料为非磁性物质,纳米结构可能会出现磁性;体材料是惰性的金属(如金), 其纳米结构可能是非常好的催化剂。

自组 装法不仅可用于有机纳米材料的合成,且可用于复杂形态无机纳米材料的制备;小仅可合成出纳米多孔材料,而且可制备出纳米微粒、纳米棒、纳米丝、 纳米网、纳米薄膜甚至纳米管等。根据其合成途径不同,可以将其分为模板合成 法、热解法、化学气相沉积法、激光烧蚀法和电化学沉积法等外,还可以简单地 将其分为层层自组 装法和生物膜模拟自组 装法。层层组 装法包括:聚阴离子电解 质和聚阳离子电解质的层层组 装、聚电解质和无机纳米粒子的层层组 装等;生物 膜模拟自组  装法就是在两性表面活性剂自聚集形成的有序结构,如层状、球状、 囊泡状微间内,发展有序纳米结构,这些由两性表面活性剂构成的有序微空间, 类似于生物体内卵磷酯的各种有序组 装体。

1 模板法

模板法根据其模板自身的特点和限域能力的不同可分为软模板和硬模板两种。硬 模板主要是以含有有序多孔材料为模板,在孔内合成所要的各种微米和纳米有序 阵列,有序阵列既可以是由纳米线也可以是由纳米管所组成。用这种办法可以制 备金属、半导体、碳、聚合物和其他材料组成的纳米管或纳米线,它们可以是单 组分材料,也可以是复合材料(在管内甚至可包裹生物材料);并通过调整制备模 板的各种参数或选择不同的模板制得所需不同尺寸的纳米结构。目前,被广泛用于硬模板合成的纳米多孔模板主要有多孔Al膜、有机聚合物膜、多孔硅、胶态晶体、碳纳米管等。

2 表面功能化法

一些自组 装过程是在基底上进行的,对于那些表面缺少活性的基底,引入特定基团以增加表面亲和力成为组 装这些功能膜的首要步骤。以色列科学家用分子自组 装法设计成功的DNA小尺寸电路即为一例。DNA大分子一般很难直接与电极 材料结合,必须先在电极表面镀一层寡核苷酸膜,由于DNA具有良好的分子识 别特性,能与附在电极表面的寡核苷酸结合而成单层膜,实际电路中由涂锻的 DNA膜参与导电。

3 热解法

该法通过高温分解含碳的亚稳固体来生长纳米管、纳米线制备装置的加热部分一 般分为两个温区:反应物气化区和生长区。生长区温度较高,一般都在1000K 以上;气化区温度较低,起气化反应物的作用,通常固态催化剂置于该温区。在生长区,原料气体、载气和催化剂蒸气经气一固(VS)、气一液一固(VIS)等状态变化后可在器壁沉积出纳米线(管)。

4 化学气相沉积法(CVD)

通过原料气体的化学反应而沉积形成纳米线(管),其反 心温度比热解法低,一般在550~1000K之间。该法中纳米线(管)的生长机理多 为VIS生长,需使用催化剂,效果较好的催化剂有Fe,Co,Ni及其合金。生长 中催化剂颗粒作为纳米线(管)的成核点,在反应过程中以液态存在,不断地吸附生长原子,形成过饱和溶液,析出固态物质而成纳米线(管)。在生长过程中催化 剂是不断传递原子组元的中间媒介,并起着固定纳米线(管)周边悬键的作用。

5 激光烧蚀法和电化学法

激光烧蚀法是利用激光在特定的气氛下照射靶材,将其蒸发,同时结合一定的反应气体,在基底或反应腔壁上沉积出纳米管。调制纳米线(管)的成分可以通过改 变靶的成分或加入其他反应气体来实现。

电化学法是通过电流的作用使电解液在阴阳极发生氧化还原反应,于阴极处制备 出纳米线(管)的一种方法。对电极和电解液的设计和选择,是使用该法制备纳米线和纳米管的关键。A.S.Jay等人在水溶液中得到了Cu—Cu的自组织层状结构。通过施加脉冲电压或电流,使膜发生电化学沉积,其相组成、层厚度、膜电阻均可以通过改变施加的电流强度和溶液的pH值得到调控,且膜在电学性质上 表现出奇特的各向异性。

6 溅射法与电弧法

磁控溅射和离子束溅射是将载气激发为等离子体轰击靶材而在基底上生长特定 结构的方法。一般溅射法用来制备薄膜材料,在特定条件下,如降低溅射气体的流量和压力,改变基片的温度,那么对特定元素或化合物就能生长出纳米线 (管) 。电弧法的原理为石墨电极在电弧产生的高温下蒸发,于阴极附近沉积出纳米材料。

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