三维纳米材料制备技术综述

三维纳米材料制备技术综述

摘要：纳米材料的制备方法甚多。目前，制备纳米材料中最基本的原则有二：一是将大块固体分裂成纳米微粒；二是由单个基本微粒聚集，并控制聚集微粒的生长，使其维持在纳米尺寸。本文主要介绍纳米材料分类和性能，同时介绍了一些三维纳米材料的制备方法，如水热法、溶剂热法和微乳液法。

关键词：纳米材料；纳米器件；纳米阵列；水热法；溶剂热法；微乳液法

1.引言

随着信息科学技术的飞速发展，人们对物质世界认识随之也从宏观转移到了微观，也就是说从宏观的块体材料转移到了微观的纳米材料。所谓纳米材料，是材料尺寸在三维空间中，至少有一个维度处于纳米尺度范围的材料。如果按照维度的数量来划分，纳米材料的的种类基本可以分为四类：（1）零维，指在空间中三维都处在纳米尺度，如量子点，尺度在纳米级的颗粒等；（2）—维，指在空间中两个维度处于纳米尺度，还有一个处于宏观尺度的结构，例如纳米棒、纳米线、纳米管等；（3）二维，是指在空间中只有一个维度处于纳米尺度，其它两个维度具有宏观尺度的材料，典型的二维纳米材料具有层状结构，如多层膜结构、一维超晶格结构等；（4）三维，即在空间中三维都属于宏观尺度的纳米材料，如纳米花、纳米球等各种形貌[1]。

当物质进入纳米级别，其在催化、光、电和热力学等方面都出现特异性，这种现象被称为“纳米效应”。纳米材料具有普通材料所不具备的3大效应：（1）小尺寸效应——其光吸收、电磁、化学活性、催化等性质发生很大变化；（2）表面效应——在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性；（3）宏观量子隧道效应，例如纳米微粒表现出令人难以置信的奇特的宏观物理特性，如高强度和高韧性，高热膨胀系数、高比热容和低熔点，异常的导电率和磁化率，极强的吸波性,高扩散性，以及高的物理、化学和生物活性等[2]。

纳米科学发展前期，人们更多关注于一维纳米材料，并研究其基本性能。随着纳米科学快速发展，当今研究热点开始转向以微纳结构和纳米结构器件为方向的对纳米阵列组装体系的研究。以特定尺寸和形貌的一维纳米材料为基本单元，采用物理和化学的方法在两维或三维空间内构筑纳米体系，可得到包括纳米阵

列，多级结构等在内的多种新颖纳米结构。这些新颖结构将作为桥梁，通过进一步构建具有功能性的纳米器件，为纳米材料的大规模广泛应用提供支撑。相比较于一般的纳米材料，高度取向的纳米阵列结构的量子效应突出，具备比无序的纳米材料更加优异的性能。具有有序结构的纳米阵列的特点，展现出新颖的整体协同效应，这将进一步优化和提高构建的纳米器件性能[3]。

2.三维纳米材料的制备技术

纳米材料的制备方法甚多。目前，制备纳米材料中最基本的原则有二：一是将大块固体分裂成纳米微粒；二是由单个基本微粒聚集，并控制聚集微粒的生长，使其维持在纳米尺寸。按照纳米微粒的制备原理，纳米材料的制备方法总体上可以分为物理方法和化学方法[2]。本文主要讲述一些三维纳米材料的制备方法。2.1.水热法

水热法（Hydrothermal）是指在特制的密闭反应器（高压釜）中（高压釜，如图2-1所示）[4]，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热，在反应体系中产生一个高温高压的环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法[5]。

图2-1 具有特氟隆（Teflon）内衬的不锈钢高压釜示意图[6]在水热法中，水由于处于高温高压状态，可在反应中起到两个作用：压力的传媒剂；在高压下，绝大多数反应物均能完全（或部分）溶解于水，可使反应在

接近均相中进行，从而加快反应的进行。按研究对象和目的的不同，水热法可分为水热晶体生长、水热合成、水热处理和水热烧结等。水热法引起人们广泛关注的主要原因是：（l）水热法采用中温液相控制,能耗相对较低，适用性广，既可用于超微粒子的制备，也可得到尺寸较大的单晶，还可以制备无机陶瓷薄膜。（2）原料相对廉价易得，反应在液相快速对流中进行，产率高!纯度高、结晶良好，并且形状、大小可控。（3）在水热法过程中，可通过调节反应温度、压力、处理时间、溶液成分、pH值、前驱物和矿化剂的种类等因素，来达到有效地控制反应和晶体生长特性的目的。（4）反应在密闭的容器中进行，可控制反应气氛而形成合适的氧化还原反应条件，获得某些特殊的物相，尤其有利于有毒体系中的合成反应，这样可以尽可能地减少环境污染。水热法作为无机材料合成和晶体生长的重要方法之一，在科学研究和工晶体生长中己被广泛应用。而应用这种方法己合成了许多现代无机材料，包括微孔材料、快离子导体、化学传感材料、复合氧化物陶瓷材料、磁性材料、非线性光学材料、复合氟化物材料和金刚石等[7]。

由于水热过程中制备出纳米微粒通常具有物相均匀、纯度高、晶形好、单分散、形状以及尺寸大小可控等特点，水热技术已广泛应用于纳米材料的制备。如华东师范大学的钒类氧化物纳米材料的制备及电化学和场发射性能研究中[1]，首先采用简单的一步水热法成功地制备出了一维的五氧化二筑纳米线，在使用了表面活化剂PVP的辅助下，通过调节PVP在前驱体溶液中浓度，得到了两种不同形貌的三维五氧化二轨纳米结构,即纳米杨梅和纳米花，如图2-2和图2-3。

图2-2 （a）V2O5纳米杨梅结构的低倍SEM图，（b）V2O5纳米杨梅结构的中倍SEM图

图2-3 （a）V2O5纳米花结构的低倍SEM图，（b）V2O5纳米花结构的中倍SEM图2.2 溶剂热法

虽然水热法有上述的很多优点，但也有其局限性，最明显的一个缺点就是，该法往往只适用于对氧化物材料或少数对水不很敏感的硫化物的制备和处理，而对其它一些易水解的化合物就不适用。这些问题的出现促成了溶剂热技术的产生和发展。在溶剂热合成过程中，溶剂除了作为压力传递介质外，还具有其它方法无法替代的特点：首先，溶剂热合成可以有效地杜绝前驱物、产物的水解和氧化，有利于合成反应的顺利进行；其次，溶剂热体系是实现材料形状控制的重要手段，溶剂热体系的低温、高压、溶液条件，有利于生成具有晶型完美、规则取向的晶体材料，且合成的产物纯度高，通过选择和控制反应温度和溶剂可制得不同粒径的纳米材料，尤其是当在溶剂热体系中辅佐以高分子、表面活性剂等手段，对材料的形状具有有效的控制作用。如以正丁胺为代表的单基配体溶剂体系、多组分的复合溶剂体系，合成出纳米带ZnS[8]。

图2-4 ZnS纳米带，左侧是低倍数TEM象；右侧是高倍数TEM象