纳米材料的制备方法及原理整理课件
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纳米颗粒合成及其生长机理
157692247 任光鹏
生长机理
依制备状态不同而 划分的制备方法
wenku.baidu.com
• 1、气相法制备纳米微粒的生长机理 • 2、液相法制备纳米粒子 • 3、固相法制备纳米微粒
根据是否发生化学反 应而划分的制备方法
1) 蒸发冷凝法 7) 等离子体法
2) 物理气相沉积 8) 溅射法
3) 非晶晶化法 9) 流动液面上真空蒸度法
优点：用电子束作为加热源 可以获得很高的能量密度， 特别适合于用来蒸发W、Ta 、Pt等高熔点金属，制备出 相应的金属、氧化物、碳化 物、氮化物等纳米粒子。
缺点：通常在高真空中使用
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5) 微波加热
微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波(波长1米~1 毫米） 通常，介质材料由极性分子或非极性分子组成，在微波 电磁场作用下，极性分子从原来的热运动状态转向依照 电磁场的方向交变而排列取向。产生类似摩擦热，在这 一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能， 使介质温度出现宏观上的升高 可见微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热
– 阴极区、弧柱和阳极区 – 阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子； – 弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，
呈现导电性(热电离)； – 阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小。
根据电弧所处的介质不同分为气中电弧和真空电弧两种。
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2、液相法制备纳米粒子
液相法的原理是：选择一至几种可溶性金属化合 物配成均相溶液，再通过各种方式使溶质和溶剂 分离（例如，选择合适的沉淀剂或通过水解、蒸 发、升华等过程，将含金属离子的化合物沉淀或 结晶出来），溶质形成形状、大小一定的颗粒， 得到所需粉末的前驱体，加热分解后得到纳米颗 粒的方法。
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根据是否发生化学反 应而划分的制备方法
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1、低压气体中蒸发法 [气体冷凝法或蒸发冷凝法]
1) 定义
• 气体冷凝法是在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属、合 金或陶瓷，使其蒸发气化，然后与惰性气体碰撞、 冷却、 凝结，最终形成形成超微粒(1~1000 nm)或纳米微粒(1~100 nm)的方法。
1、气相法制备纳米微粒的生长机理
• 2) 高频感应加热： 电磁感应现象产生的热来加热。 类似于变压器的热损耗。 高频感应加热是利用金属和磁 性材料在高频交变电磁场中存 在涡流损耗和磁滞损耗，因而 实现对金属和铁磁性性材料工 件内部直接加热。
1、气相法制备纳米微粒的生长机理
• 3) 激光加热： 将具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千
度乃至上万度的高温，此高温几乎可以融化掉所有的材料。 激光能在10-8秒内对任何金属都能产生高密度蒸气，能产生一种
定向的高速蒸气流。
用于纳米材料制备的原理：
• 物理法：当激光照射到靶材 表面时，一部分入射光反射， 一部分入射光被吸收，一旦 表面吸收的激光能量超过蒸 发温度，靶材就会融化蒸发 出大量原子、电子和离子， 从而在靶材表面形成一个等 离子体。等脉冲激光移走后， 等离子体会先膨胀后迅速冷 却，其中的原子在靶对面的 收集器上凝结起来，就能获 得所需的薄膜和纳米材料
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液相成核与生长
开始成核：其过程涉及到在含有可溶性的或悬浮盐的水或 非水溶液中的化学反应。液体变得饱和时，沉积就会借助 于均相或异相成核机制而发生。 成核之后：由扩散控制长大，此时溶液的浓度和温度在决 定粒子长大中起重要作用。 满足条件：所有的核必须几乎在同时生成，而且在接下来 的生长过程中必须没有进一步的成核或颗粒团聚。 主要影响因素：反应液浓度、反应温度、溶液pH值、反应 物加到溶液中的顺序等。
4) 机械破碎法 10) 通电加热蒸发法
5) 离子注入法 11) 爆炸丝法
6) 原子法
12) 雾化法
1、气相法制备纳米微粒的生长机理
气相成核机制： • 蒸气的异相成核：以进入蒸气中的外来离子、粒子等杂质或固体
上的台阶等缺陷成核中心，进行微粒的形核及长大。 • 蒸气的均相成核：无任何外来杂质或缺陷的参与，过饱和蒸气中
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3、固相法制备纳米微粒
纳 米 微 粒 固 相 法 合 成 是把固相原料通过降低尺寸或重新 组合制备纳米粉体的方法。该法是通过固相到固相的变 化来制造超微粉体，没有相的变化。 固相物质的微粉化机理可以分为两类： 1) 尺寸降低过程（size reduction process）：将外部
能量引入或作用于母体材料，使其结构转变，固相物 质被极细地分裂，但物相没变化。属于此过程的有机 械粉碎（球磨法）、化学处理（溶出法）等。 2) 构筑过程（build up process）：将最小的物质单元 （原子、分子、离子）组合起来、构筑微粒，物质属 性发生变化，如热分解法（大多为盐的分解）、固相 反应法（大多为化合法）等。
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化学法：利用大功率激光器的激光束照射于反应 物，反应物分子或原子对入射激光光子的强吸收， 在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应分 子或原子获得化学反应所需要的温度后，迅速完 成反应、成核凝聚、生长等过程，从而制得相应 物质的纳米微粒。
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4) 电子束轰击：
利用静电加速器或电子直线加速器得到高能电子束，在电子透 镜聚焦作用下使电子束聚焦于待蒸发物质表面。受到电子轰击 后，材料获得能量（通过与电子的碰撞）而被加热和蒸发，然 后凝聚为纳米粒子。
的原子因相互碰撞而失去动力，由于在局部范围内温度的不均匀 和物质浓度的波动，在小范围内开始聚集成小核。当小核半径大 于临界半径r。时就可以不断先后撞击到其表面的其他原子、继续 长大，最终形成微粒。
1、气相法制备纳米微粒的生长机理
• 加热方式 1) 电阻加热(电阻丝) 使用螺旋纤维或者舟状的 电阻发热体
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6) 电弧加热
在两个电极间加一电压，当电源提供较大功率的电能时， 若极间电压不高(约几十伏)，两极间气体或金属蒸气中可 持续通过较强的电流(几安至几十安)，并发出强烈的光辉， 产生高温(几千至上万度)，这就是电弧放电。 电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。 电弧放电可分为 3个区域：
157692247 任光鹏
生长机理
依制备状态不同而 划分的制备方法
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• 1、气相法制备纳米微粒的生长机理 • 2、液相法制备纳米粒子 • 3、固相法制备纳米微粒
根据是否发生化学反 应而划分的制备方法
1) 蒸发冷凝法 7) 等离子体法
2) 物理气相沉积 8) 溅射法
3) 非晶晶化法 9) 流动液面上真空蒸度法
优点：用电子束作为加热源 可以获得很高的能量密度， 特别适合于用来蒸发W、Ta 、Pt等高熔点金属，制备出 相应的金属、氧化物、碳化 物、氮化物等纳米粒子。
缺点：通常在高真空中使用
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5) 微波加热
微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波(波长1米~1 毫米） 通常，介质材料由极性分子或非极性分子组成，在微波 电磁场作用下，极性分子从原来的热运动状态转向依照 电磁场的方向交变而排列取向。产生类似摩擦热，在这 一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能， 使介质温度出现宏观上的升高 可见微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热
– 阴极区、弧柱和阳极区 – 阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子； – 弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，
呈现导电性(热电离)； – 阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小。
根据电弧所处的介质不同分为气中电弧和真空电弧两种。
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2、液相法制备纳米粒子
液相法的原理是：选择一至几种可溶性金属化合 物配成均相溶液，再通过各种方式使溶质和溶剂 分离（例如，选择合适的沉淀剂或通过水解、蒸 发、升华等过程，将含金属离子的化合物沉淀或 结晶出来），溶质形成形状、大小一定的颗粒， 得到所需粉末的前驱体，加热分解后得到纳米颗 粒的方法。
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根据是否发生化学反 应而划分的制备方法
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1、低压气体中蒸发法 [气体冷凝法或蒸发冷凝法]
1) 定义
• 气体冷凝法是在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属、合 金或陶瓷，使其蒸发气化，然后与惰性气体碰撞、 冷却、 凝结，最终形成形成超微粒(1~1000 nm)或纳米微粒(1~100 nm)的方法。
1、气相法制备纳米微粒的生长机理
• 2) 高频感应加热： 电磁感应现象产生的热来加热。 类似于变压器的热损耗。 高频感应加热是利用金属和磁 性材料在高频交变电磁场中存 在涡流损耗和磁滞损耗，因而 实现对金属和铁磁性性材料工 件内部直接加热。
1、气相法制备纳米微粒的生长机理
• 3) 激光加热： 将具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千
度乃至上万度的高温，此高温几乎可以融化掉所有的材料。 激光能在10-8秒内对任何金属都能产生高密度蒸气，能产生一种
定向的高速蒸气流。
用于纳米材料制备的原理：
• 物理法：当激光照射到靶材 表面时，一部分入射光反射， 一部分入射光被吸收，一旦 表面吸收的激光能量超过蒸 发温度，靶材就会融化蒸发 出大量原子、电子和离子， 从而在靶材表面形成一个等 离子体。等脉冲激光移走后， 等离子体会先膨胀后迅速冷 却，其中的原子在靶对面的 收集器上凝结起来，就能获 得所需的薄膜和纳米材料
12/372
液相成核与生长
开始成核：其过程涉及到在含有可溶性的或悬浮盐的水或 非水溶液中的化学反应。液体变得饱和时，沉积就会借助 于均相或异相成核机制而发生。 成核之后：由扩散控制长大，此时溶液的浓度和温度在决 定粒子长大中起重要作用。 满足条件：所有的核必须几乎在同时生成，而且在接下来 的生长过程中必须没有进一步的成核或颗粒团聚。 主要影响因素：反应液浓度、反应温度、溶液pH值、反应 物加到溶液中的顺序等。
4) 机械破碎法 10) 通电加热蒸发法
5) 离子注入法 11) 爆炸丝法
6) 原子法
12) 雾化法
1、气相法制备纳米微粒的生长机理
气相成核机制： • 蒸气的异相成核：以进入蒸气中的外来离子、粒子等杂质或固体
上的台阶等缺陷成核中心，进行微粒的形核及长大。 • 蒸气的均相成核：无任何外来杂质或缺陷的参与，过饱和蒸气中
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3、固相法制备纳米微粒
纳 米 微 粒 固 相 法 合 成 是把固相原料通过降低尺寸或重新 组合制备纳米粉体的方法。该法是通过固相到固相的变 化来制造超微粉体，没有相的变化。 固相物质的微粉化机理可以分为两类： 1) 尺寸降低过程（size reduction process）：将外部
能量引入或作用于母体材料，使其结构转变，固相物 质被极细地分裂，但物相没变化。属于此过程的有机 械粉碎（球磨法）、化学处理（溶出法）等。 2) 构筑过程（build up process）：将最小的物质单元 （原子、分子、离子）组合起来、构筑微粒，物质属 性发生变化，如热分解法（大多为盐的分解）、固相 反应法（大多为化合法）等。
7/372
化学法：利用大功率激光器的激光束照射于反应 物，反应物分子或原子对入射激光光子的强吸收， 在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应分 子或原子获得化学反应所需要的温度后，迅速完 成反应、成核凝聚、生长等过程，从而制得相应 物质的纳米微粒。
8/372
4) 电子束轰击：
利用静电加速器或电子直线加速器得到高能电子束，在电子透 镜聚焦作用下使电子束聚焦于待蒸发物质表面。受到电子轰击 后，材料获得能量（通过与电子的碰撞）而被加热和蒸发，然 后凝聚为纳米粒子。
的原子因相互碰撞而失去动力，由于在局部范围内温度的不均匀 和物质浓度的波动，在小范围内开始聚集成小核。当小核半径大 于临界半径r。时就可以不断先后撞击到其表面的其他原子、继续 长大，最终形成微粒。
1、气相法制备纳米微粒的生长机理
• 加热方式 1) 电阻加热(电阻丝) 使用螺旋纤维或者舟状的 电阻发热体
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6) 电弧加热
在两个电极间加一电压，当电源提供较大功率的电能时， 若极间电压不高(约几十伏)，两极间气体或金属蒸气中可 持续通过较强的电流(几安至几十安)，并发出强烈的光辉， 产生高温(几千至上万度)，这就是电弧放电。 电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。 电弧放电可分为 3个区域：