VLS法制备一维纳米材料

GaN纳米线
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Si纳米线
通常，纳米线的顶端会留有球形颗粒，但是也可能 出现有的纳米线上没有球形颗粒或中间有的情况，甚至有的 会发生分支生长或非直线生长。这与生长条件（温度、浓度 等）的波动有关
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九 在运用VLS制备纳米线时,怎样实现对纳米线直 径的有效控制并同时保证其均匀性?
(一) 严格保持纳米线生长条件(温度、蒸气浓度等)的稳定 性(二) 实现对催化剂颗粒尺寸的控制
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B4 化学气相传输： Y.Wu等利用化学气相传输法和VLS生长机制生
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六 两个实例 (一) 用VLS机理制备一维ZnO纳米线 (二) 用VLS机理制备一维SiC纳米线
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Zn0纳米线的制备
方法一：热蒸发ZnO和石墨的混合物，通过气相传输在镀 有Au催化剂的硅衬底上得到氧化锌纳米线
A4 高温快速加热法：激光烧蚀Si-Fe目标靶，产生蒸气，迅
速浓缩成液态纳米团簇
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1. B1 激光烧蚀：用含少量的Au、Fe或Ni的硅粉作为靶，以Ar 气作为保护气体，在石英管内，在一定温度下激光烧蚀即 可制得Si纳米线
2.
以
为靶材，可制备出
Ge 纳米激线光烧蚀可形成直径仅几个纳米百度文库液态催化剂团簇，
形成纳米级共溶液滴。
共熔液滴持续吸入生长材料的组元蒸气，以至达到过 饱和，促成了生长材料的晶体晶核在液滴上生成。
蒸气继续被吸入，晶体在已生成的固液界面处不断析 出，推动固液界面移动，从而长出一维纳米材料
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用VLS机理制备Ge纳米线示意图
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Au催化作用下Ge纳米线生长的原位TEM像
Ⅰ 形成纳米级共溶液滴
方法二：以纳米Au粒为催化剂，加热蒸发Zn粉，同时通 入含少量氧气的氩气
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（一）Zn从Zn-Au合金液滴中析出 （二）析出的Zn在高温下被氧化成ZnO ，形成氧化锌纳米线
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SiC纳米线的制备
（一）制备氧化硅凝胶包含氧化铁纳米颗粒的预制复合体 （二）与一定量的石墨粉混合，使C/Si成分比为4：1 （三）500度下通入氢气，还原氧化铁得到铁纳米颗粒 （四）持续通入Ar气，迅速加热到1400度
现在这种方法已被广泛用来制备各种无机材料的 纳米线，包括元素半导体（Si、Ge），Ⅲ-V族半导体（GaN、 GaAs、InAs等），Ⅱ-VⅠ族半导体（ZnS、ZnSe、CdS、 CdSe），氧化物（ZnO、氧化镓、二氧化硅）等
V-L-S法是一维纳米材料制备中最主要的机理之一。
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二 生长机理： 在适当温度下，催化剂纳米团簇与生长材料的组元互溶
3.
溶胶凝胶法制备包含
氧化铁纳米颗粒的氧化硅介孔体系，还原氧化铁的
Fe纳米颗粒
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1. A3 蒸镀法：将金属催化剂纳米级薄膜蒸镀在基体上， 薄
2. 膜自组织
大量的
蒸镀Au薄膜在GaAs基体上，可形成
纳米级的Au-As合金液滴
制备Zn0纳米线时，将Au薄膜蒸镀 在蓝宝石衬底上，形成纳米级的Au-Zn合金液滴
Ⅱ 成核过程 精品课件
Ⅲ 轴向生长
Au-Ge二元系相图
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三 制备特点
四
1 催化剂纳米团簇的尺寸在很大程度上决定了所
生长一维纳米材料的直径
五
六
2 可利用相图选择适宜的催化剂，制备温度所处
范围
七 也可根据相图来确定
八
四 常用的催化剂与可制备的材料
Au：Si、Ge元素纳米线，ZnO、氧化镓等氧化物纳米线， CdS、ZnS纳米线 Fe：Si 、Ge元素纳米线，SiC 纳米线、 GaN纳米线 Ni: Si纳米线、GaN纳米线
用VLS机理 制备一维纳米材料
报告人: 岳广兵
制作者：李杰、何肖丽、
陈本松 精品课件
王家治、岳广兵、
一 气-液-固（ V-L-S ）机理概述：
二十世纪六十年代，Shyne和Milewesk提出了晶须 生长的VLS机理,并首先由Vagner和Ellis用于合成了SiC晶须。
之后,人们用此机理合成了各种各样的晶须.随着 纳米尺度材料研究的兴起,人们又开始用这种机理来合成一维 纳米材料.
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Fe-Si-C +CO
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七 有关生长终止的问题
一 温度降低，合金液滴凝固成固体颗粒，反应终止
二 随着原料的消耗，生长材料组元的蒸气浓度降 低，导致合金液滴中的过饱和度降低，相变驱动力 不足，反应终止。
三 随着结晶反应的进行,杂质在生长点不断聚集使 得生长受阻
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八 用VLS机理所得纳米线的形貌特征 纳米线顶端留有含有催化剂成分的球形颗粒
溶液法: 制备出含规定尺寸催化剂纳米颗粒的溶液
镀膜法: 弄清膜的厚度与所形成的颗粒尺寸的定量 关系
模板法: 制备出规定孔径的模板
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谢 谢!
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五 制备中的两个重要问题 A 如何得到纳米级的催化剂团簇？ B 如何提供出所需的蒸气？
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A1 溶液干燥法： 氯金酸 + Au纳米颗粒溶液
柠檬酸钠
将溶液滴至基底上、干燥、反复数次
1. A2 模板限域法：交流电化学沉积法在氧化铝模板底 部引入金纳米颗粒
2. 一面喷一层金膜
在贯通的氧化铝模板
这种制备技术具有一定的普适性
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1. B2 热蒸发：蒸发金属Zn粉，通过气相传输在镀有Au膜的Si 衬底上得到ZnO纳米线
2.
高温加热CdS或ZnS纳米粉，通过气相
传输在镀有Au膜的Si衬底上得到CdS或ZnS纳米线
B3 化学气相沉积：以硅烷为硅源 ，以Au或Fe或Ni或 AuPd 为催化剂，制备Si纳米线