纳米材料制备方法综述

纳米材料制备方法综述

摘要：纳米材料由于其特殊性质，近年来受到人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。纳米材料的制备方法按物态一般可归纳为气相法、液相法、固相法。目前，各国科学家在纳米材料的研究方面已取得了显著的成果。纳米材料将推动21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展, 对生产力的发展产生深远的影响。

关键字：纳米材料，制备，固相法，液相法，气相法

近年来，纳米材料作为一种新型的材料得到了人们的广泛关注。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，具有表面与界面效应，量子尺寸效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而纳米具有很多奇特的性能，广泛应用于各个领域。为此，本文综述了纳米材料制备的各种方法并说明其优缺点。

目前纳米材料制备采用的方法按物态可分为：气相法、液相法和固相法。

一、气相法

气相法是将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长低维纳米材料的方法。气相法主要包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），在某些情况下使用其他热源获得气源，如电阻加热法，高频感应电流加热法，混合等离子加热法，通电加热蒸发法。

1、物理气相沉积（PVD）

在PVD过程中没有化学反应产生，其主要过程是固体材料的蒸发和蒸发蒸气的冷凝或沉积。采用PVD可制备出高质量的纳米材料粉体。PVD可分为制备出高质量的纳米粉体。PVD可分为蒸气-冷凝法和溅射法。

1.1蒸气-冷凝法

此种制备方法是在低压的Ar、He等惰性气体中加热物质（如金属等），使其蒸发汽化, 然后在气体介质中冷凝后形成5-100 nm的纳米微粒。通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米粉体。此方法制备的颗粒表面清洁，颗粒度整齐，生长条件易于控制，但是粒径分布范围狭窄。

1.2溅射法

用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气(40～250Pa)，两电极间施加的电压范围为0.3～1.5kv。由于两极间的辉光放电使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原产从其表面蒸发出来形成超微粒子．并在附着面上沉积下来。用溅射法制备纳米微粒有许多优点:可制备多种纳米金属，包括高熔

点和低熔点金属。常规的热蒸发法只能适用于低熔点金属；能制备多组元的化合物纳米微粒，如A152Ti48、Cu91Mn9及ZrO2等；通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。

2、化学气相沉积（CVD）

该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如分子束外延（MBE）、金属有机化合物气相沉积(MOCVD)、化学束外延（CBE）、激光诱导化学气相沉积（PICVD）。

2.1分子束外延（MBE）

在超高真空系统中相对地放置衬底和几个分子束源炉，将组成化合物的各种元素和掺杂元素等分别放入不同的炉源内，加热炉源使它们以一定的速度和束流强度比喷射到加热的衬底表面上，在表面互相进行晶体的外延生长。该法可制备出不同的超晶格材料，外延表面和界面可达分子级的平整度。结合适当的掩膜、激光诱导技术，还可实现3维图形结构的外延生长。但MBE生长速度较低，一般为0.1~1 um/h。

2.2金属有机化合物气相沉积(MOCVD)

MOCVD是用H2将金属有机化合物蒸气和气态的非金属氢化物经过开关网络送入反应室中加热的衬底上，通过加热分解在衬底表面生长出来外延层的技术。此方法的优点是采用气态源，生长速率比MBE快得多，有利于大面积超薄层、超晶格等材料的批量生产。不足在于平整度及厚度不好控制，且所用气体源有毒、易燃，使用中必须中必须注意安全。

2.3化学束外延（CBE）

CBE是在MBE设备上使用气态源取代固态源，兼有MBE和MOCVD的优点，还可生长出MBE难以控制生长的，但又十分重要的磷化物超晶格材料，能消除MBE材料中经常出现的由Ga源引起的椭圆形缺陷，均匀性好。

3、电阻加热法

欲蒸发的物质(如金属、CaF2、NaCl、FeF2等离子化合物、过渡族金属氮化物及氧化物等)置于坩埚内。通过钨电阻加热器或石墨加热器等加热装置逐渐加热蒸发，产生元物质烟雾，由于惰性气体的对流，烟雾向上移动，并接近充液氮的冷却棒(冷阱, 77K)，在接近冷却棒的过程中，元物质蒸汽首先形成原子簇．然后形成单个纳米微粒。最后在冷却棒表面上积聚起来，用聚四氛乙烯刮刀刮下并收集起来获得纳米粉。该方法加热方式简单，工作温度受坩埚材料的限制,还可能与坩埚反应。所以一般用来制备Al、Cu、Au等低熔点金属的纳米粒子。

4、高频感应电流加热法

该法以高频感应线圈为热源,使坩埚内的导电物质在涡流作用下加热，在低压惰性气体中蒸发,蒸发后的原子与惰性气体原子碰撞冷却凝聚成纳米颗粒。由于采用坩埚，所以一般也只是制备低熔点金属的低熔点物质。

5、混合等离子加热法

此制备方法是采用RF(射频)等离子与DC直流等离子组合的混合方式来获得纳米粒子, 由中心石英管外的感应线圈产生高频磁场(几MHz)将气体电离产生RF等离子体．内载气携带的原料经等离子体加热、反应生成纳米粒子并附着在冷却壁上。DC(直流)等离子电弧束来防止RF等离子弧所受干扰，故此称为‘混合等离子”法。制备的钠米粉末的纯度较高。6、通电加热蒸发法

此法是通过碳棒与金属相接触，通电加热使金属熔化．金属与高温碳棒反应并蒸发形成碳化物超微粒子。这是实验室制备纳米碳化物常用技术。优点是可控制惰性气体种类或蒸气压得到不同颗粒度的粒子。不足是对于高熔点金属（Hf、Ta、W、M o、Nb等）只能得到非晶纳米。

二、液相法

液相法是以均匀的溶液相为出发点，通过各种途径是溶液和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒或所需材料的前驱体，再通过干燥或热分解后得到纳米颗粒，该法主要用于氧化物纳米材料的制备。常用的液相法包括沉淀法，水热法，微乳液法，喷雾法和溶胶-凝胶法。

1、沉淀法

在一种或多种离子的可溶性盐溶液，加入沉淀剂（OH-,CO32- , C2O42-等），形成不溶性氢氧化物、碳酸盐、草酸盐等沉淀物，然后将沉淀物过滤，洗涤，烘干及焙烧，即可得氧化物粉体。该法简单易行，但是纯度低，颗粒半径大。共沉淀法还可分为单相共沉淀法（形成单一化合物沉淀）、混合物共沉淀法（形成2种以上化合物沉淀）和均相沉淀法（均匀，缓慢地沉淀)。

2、水热法

水热法是通过高温高压在水溶液或蒸汽等流体中合成物质,再经分离和热处理得到纳米微粒。水热条件下离子反应和水解反应可以得到加速和促进,使一些在常温下反应速度很慢的热力学反应,在水热条件下可以实现快速反应。依据反应类型不同分为: 水热氧化、还原、沉淀、合成、水解、结晶等。该法制得的纳米粒子纯度高、分散性好、晶形好且大小可控。郭景坤等人采用高压水热处理,将化学制得的Zr(OH)4胶体置于高压釜中,控制合适的温度