纳米材料的制备方法及其原理
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• 气相成核机制： 1) 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。 2) 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。
纳米微粒的制备方法分类
• 根据制备状态的不同，制备纳米微粒的方法可以分为 气相法、液相法和固相法等;
• 根据是否发生化学反应，纳米微粒的制备方法通常分 为三大类：化学方法、化学物理法及物理法；或者： 化学方法、物理法及其它。
• 按反应物状态分为干法和湿法。 • 大部分方法具有粒径均匀，粒度可控，操作简单等优
❖ 真正有意识地研究纳米粒子可追溯到30年代的日本，当时为了 军事需要而开展了“沉烟试验”，但受到实验水平和条件限制， 虽用真空蒸发法制成世界上第一批超微铅粉，但其光吸收性能 很不稳定。
❖ 直到本世纪60年代人们才开始对分立的纳米粒子进行研究。 ❖ 1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制得金属纳米微粒，对其形
制 备
液相法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法 喷雾法
方 法
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎
类
热分解法
固相法 固相反应法
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其它方法
纳
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
米
物理法
粒
子
纳
构筑法
气体冷凝法 溅射法
氢电弧等离子体法
合 成
米 粒 子
气相分解法
气相反应法 气相合成法
气－固反应法
方
制
共沉淀法
法 分
备 化学法
沉淀法 均相沉淀法
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• 气相法的特点和优势，主要包括: ➢ 表面清洁; ➢ 粒度整齐，粒径分布窄; ➢ 粒度容易控制; ➢ 颗粒分散性好； ➢ 通过控制可以制备出液相法难以制得的金属碳化物、 氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。
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• 气相法中的加热方式通常有以下几种： 1) 电阻加热：利用电阻丝发热体加热 2) 高频感应加热：方便融化金属 3) 电子束加热；高真空中使用，功率大 4) 激光加热：加热源可放在系统外 5) 微波加热：加热速度快；均匀加热；节能高效；易于 控制；选择性加热 6) 电弧（等离子）加热：含直流电弧等离子体和射频等 离子体，加热过程中无电极物质进入，颗粒纯度高
点；有的也存在可生产材料范围较窄，反应条件较苛 刻，如高温高压、真空等缺点。
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气相分解法
化学气相反应法气相合成法
纳
气－固反应法
米
气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法
粒
子 合
纳 米 粒
成
子
物理气相法
溅射法 真空沉积法
加热蒸发法
混合等离子体法
共沉淀法
沉淀法 化合物沉淀法 水热法 水解沉淀法
方 法 分
❖ 我国近年来在纳米材料的制备、表征、性能及理论研究方面取 得了国际水平的创新成果，已形成一些具有物色的研究集体和 研究基地，在国际纳米材料研究领域占有一席之地。在纳米制 备科学中纳米粉体的制备由于其显著的应用前景发展得较快。
纳米材料的制备
纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域的一个重要研究课题，新材 料制备工艺过程的研究与控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的 影响。在所有纳米材料的制备方法中，最终目的是所制得的纳米颗粒具 有均一的大小和形状。理论上，任何能够制备出无定型超微粒子和精细 结晶的方法都可以用来制备纳米材料。如果涉及了相转移（例如，气相 到固相），则要采取增加成核以及降低在形成产品相过程中颗粒的增长 速率的步骤，从而获得纳米颗粒。一旦形成了纳米颗粒，则要防止其团 聚和聚结。此外，许多方法合成制备出的纳米材料都是结构松散、易团 聚的纳米超细微粒，这样只可得到纳米粉体。如果要获得纳米固体材料， 须将纳米颗粒压实才可得到致密的块材。因此，材料的压制工艺也是纳 米制备技术的重要部分。
纳米材料的制备方法及其原理
主要内容 • 纳米颗粒（包括零维的量子点）的合成及其生长机理 • 纳米棒、丝、线等准一维和一维纳材料的合成及其生长
机理 • 可控合成纳米颗粒和一维纳米材料的实例分析 • 二维纳米材料合成简介
前言
材料的开发与应用在人类社会进步上起了极为关键的作 用。人类文明史上的石器时代、铜器朝代、铁器时代的划分 就是以所用材料命名的。材料与能源、信息为当代技术的三 大支柱，而且信息与能源技术的发展也离不一材料技术的支 持。因此，材料是人类文明的物质基础
• 气相法的分类：主要分为气体中蒸发法，溅射法、化学气
相反应法，化学气相凝聚法。其中前两种属于物理气相沉
积，后两种方法属于化学气相沉积 （这些方法将在后面
详细介绍）。
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• 气相法合成过程: 1) 源原子形成：蒸发、溅射、激光等能量源的赋能作用， 产生高密度的蒸气（源原子）。 2) 粒子成核：引入载气（如惰性气体或加入反应气体O2、 N2等），通过气相粒子的碰撞来限制自由程、提高过 饱和度、促进成核。 3) 粒子长大：碰撞还可以吸收热量、冷却原子，使粒子 间相互碰撞、微粒长大。
貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。
❖ 1984年，德国的H. Gleiter等人将气体蒸发冷凝获得的纳米铁粒 子，在真空下原位压制成纳米固体材料，使纳米材料研究成为 材料科学中的热点。
❖ 国际上发达国家对这一新的纳米材料研究领域极为重视，日本 的纳米材料的研究经历了二个七年计划，已形成二个纳米材料 研究制备中心。德国也在Ausburg建立了纳米材料制备中心， 发展纳米复合材料和金属氧化物纳米材料。1992年，美国将纳 米材料列入“先进材料与加工总统计划”，将用于此项目的研 究经费增加10％，增加资金1.63亿美元。美国Illinois大学和纳 米技术公司建立了纳米材料制备基地。
方 法
水热法 水解沉淀法
液相反应法
溶胶－凝胶法 冷冻干燥法
类
喷雾法
化学物理法(如反应性球磨法)
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第一部分：纳米颗粒合成及其生长机理
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依制备状态不同而划分的制备方法
1、气相法制备纳米微粒
• 定义：气相法指直接利用气体或者通过各种手段将物质变 为气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最 后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。
纳米材料指的是颗粒尺寸为1～100nm的粒子组成的新 型材料。由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，使之 具有常规粗晶材料不具备的特殊性能，在光吸收、敏感、催 化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。
❖ 早在1861年，随着胶体化学的建立，科学家就开始对直径为1～ 100nm的粒子的体系进行研究。
• 气相成核机制： 1) 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。 2) 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。
纳米微粒的制备方法分类
• 根据制备状态的不同，制备纳米微粒的方法可以分为 气相法、液相法和固相法等;
• 根据是否发生化学反应，纳米微粒的制备方法通常分 为三大类：化学方法、化学物理法及物理法；或者： 化学方法、物理法及其它。
• 按反应物状态分为干法和湿法。 • 大部分方法具有粒径均匀，粒度可控，操作简单等优
❖ 真正有意识地研究纳米粒子可追溯到30年代的日本，当时为了 军事需要而开展了“沉烟试验”，但受到实验水平和条件限制， 虽用真空蒸发法制成世界上第一批超微铅粉，但其光吸收性能 很不稳定。
❖ 直到本世纪60年代人们才开始对分立的纳米粒子进行研究。 ❖ 1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制得金属纳米微粒，对其形
制 备
液相法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法 喷雾法
方 法
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎
类
热分解法
固相法 固相反应法
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其它方法
纳
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
米
物理法
粒
子
纳
构筑法
气体冷凝法 溅射法
氢电弧等离子体法
合 成
米 粒 子
气相分解法
气相反应法 气相合成法
气－固反应法
方
制
共沉淀法
法 分
备 化学法
沉淀法 均相沉淀法
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• 气相法的特点和优势，主要包括: ➢ 表面清洁; ➢ 粒度整齐，粒径分布窄; ➢ 粒度容易控制; ➢ 颗粒分散性好； ➢ 通过控制可以制备出液相法难以制得的金属碳化物、 氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。
13wenku.baidu.com372
• 气相法中的加热方式通常有以下几种： 1) 电阻加热：利用电阻丝发热体加热 2) 高频感应加热：方便融化金属 3) 电子束加热；高真空中使用，功率大 4) 激光加热：加热源可放在系统外 5) 微波加热：加热速度快；均匀加热；节能高效；易于 控制；选择性加热 6) 电弧（等离子）加热：含直流电弧等离子体和射频等 离子体，加热过程中无电极物质进入，颗粒纯度高
点；有的也存在可生产材料范围较窄，反应条件较苛 刻，如高温高压、真空等缺点。
6/372
气相分解法
化学气相反应法气相合成法
纳
气－固反应法
米
气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法
粒
子 合
纳 米 粒
成
子
物理气相法
溅射法 真空沉积法
加热蒸发法
混合等离子体法
共沉淀法
沉淀法 化合物沉淀法 水热法 水解沉淀法
方 法 分
❖ 我国近年来在纳米材料的制备、表征、性能及理论研究方面取 得了国际水平的创新成果，已形成一些具有物色的研究集体和 研究基地，在国际纳米材料研究领域占有一席之地。在纳米制 备科学中纳米粉体的制备由于其显著的应用前景发展得较快。
纳米材料的制备
纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域的一个重要研究课题，新材 料制备工艺过程的研究与控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的 影响。在所有纳米材料的制备方法中，最终目的是所制得的纳米颗粒具 有均一的大小和形状。理论上，任何能够制备出无定型超微粒子和精细 结晶的方法都可以用来制备纳米材料。如果涉及了相转移（例如，气相 到固相），则要采取增加成核以及降低在形成产品相过程中颗粒的增长 速率的步骤，从而获得纳米颗粒。一旦形成了纳米颗粒，则要防止其团 聚和聚结。此外，许多方法合成制备出的纳米材料都是结构松散、易团 聚的纳米超细微粒，这样只可得到纳米粉体。如果要获得纳米固体材料， 须将纳米颗粒压实才可得到致密的块材。因此，材料的压制工艺也是纳 米制备技术的重要部分。
纳米材料的制备方法及其原理
主要内容 • 纳米颗粒（包括零维的量子点）的合成及其生长机理 • 纳米棒、丝、线等准一维和一维纳材料的合成及其生长
机理 • 可控合成纳米颗粒和一维纳米材料的实例分析 • 二维纳米材料合成简介
前言
材料的开发与应用在人类社会进步上起了极为关键的作 用。人类文明史上的石器时代、铜器朝代、铁器时代的划分 就是以所用材料命名的。材料与能源、信息为当代技术的三 大支柱，而且信息与能源技术的发展也离不一材料技术的支 持。因此，材料是人类文明的物质基础
• 气相法的分类：主要分为气体中蒸发法，溅射法、化学气
相反应法，化学气相凝聚法。其中前两种属于物理气相沉
积，后两种方法属于化学气相沉积 （这些方法将在后面
详细介绍）。
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• 气相法合成过程: 1) 源原子形成：蒸发、溅射、激光等能量源的赋能作用， 产生高密度的蒸气（源原子）。 2) 粒子成核：引入载气（如惰性气体或加入反应气体O2、 N2等），通过气相粒子的碰撞来限制自由程、提高过 饱和度、促进成核。 3) 粒子长大：碰撞还可以吸收热量、冷却原子，使粒子 间相互碰撞、微粒长大。
貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。
❖ 1984年，德国的H. Gleiter等人将气体蒸发冷凝获得的纳米铁粒 子，在真空下原位压制成纳米固体材料，使纳米材料研究成为 材料科学中的热点。
❖ 国际上发达国家对这一新的纳米材料研究领域极为重视，日本 的纳米材料的研究经历了二个七年计划，已形成二个纳米材料 研究制备中心。德国也在Ausburg建立了纳米材料制备中心， 发展纳米复合材料和金属氧化物纳米材料。1992年，美国将纳 米材料列入“先进材料与加工总统计划”，将用于此项目的研 究经费增加10％，增加资金1.63亿美元。美国Illinois大学和纳 米技术公司建立了纳米材料制备基地。
方 法
水热法 水解沉淀法
液相反应法
溶胶－凝胶法 冷冻干燥法
类
喷雾法
化学物理法(如反应性球磨法)
8/372
第一部分：纳米颗粒合成及其生长机理
9/372
依制备状态不同而划分的制备方法
1、气相法制备纳米微粒
• 定义：气相法指直接利用气体或者通过各种手段将物质变 为气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最 后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。
纳米材料指的是颗粒尺寸为1～100nm的粒子组成的新 型材料。由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，使之 具有常规粗晶材料不具备的特殊性能，在光吸收、敏感、催 化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。
❖ 早在1861年，随着胶体化学的建立，科学家就开始对直径为1～ 100nm的粒子的体系进行研究。