零维纳米材料的制备-气相法
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•化学气相反应法
气相分解法 气相合成法 气－固反应法
气相法制备纳米微粒
气相法所制得的纳米颗粒主要具有如下特点: ①表面清洁; ②粒度整齐,粒径分布窄; ③粒度容易控制; ④颗粒分散性好。
优缺点： • 优点：气相法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。
• 缺点：设备要求高
气体冷凝法
• 气体冷凝法是在低压的氩、氮等惰性气体中加热物质 （金属，化合物），使其蒸发后形成超微粒(1—1000 nm) 或纳米微粒的方法。
气体冷凝法制备纳米颗粒的发展过程：
• 1963年，由Ryozi Uyeda及其合作者研制出，即通过在 纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米 微粒。
构筑法
构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成纳米粒子
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
粒百度文库
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
制 备
液相法 溶胶－凝胶法
• 在蒸发过程中，原物质发 出的原子与惰性气体原子 碰撞而迅速损失能量而冷 却，在原物质蒸气中造成 很高的局域过饱和，导致
• 均匀的成核过程，在接近 冷却棒的过程中，原物质 蒸气首先形成原子簇，然 后形成单个纳米微粒。
• 在接近冷却棒表面的区域 内，单个纳米微粒聚合长 大，最后在冷却棒表面上 积累起来。
• 20世纪80年代初，Gleiter等首先提出，将气体冷凝法制 得具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件下紧压致 密得到多晶体(纳米微晶)。
气体冷凝法
气体冷凝法的原理
• 在超高真空室内进行,通过分 子 涡 轮 使 其 达 到 0.1Pa 以 上 的 真空度，然后充入低压(约 2KPa) 的 纯 净 惰 性 气 体 (He 或 Ar)。
• 欲蒸的物质(例如，金属， CaF2，NaCl，FeF等离子化合 物、过渡族金属氮化物及易 升华的氧化物等)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，产生原物质烟雾，由于 惰性气体的对流，烟雾向上 移动，并接近充液氦的冷却 棒(冷阱，77K)。
气体冷凝法
气体冷凝法的原理
气相法制备纳米微粒
原材料生长物质的加热：
•产生气相通常需要加热； •不同的加热方法制备出的超微粒的量、品种、粒径大小及分布等存在 一些差别。
气相法的加热源
1. 电阻加热：主要是进行低熔点金属（ Ag、Al、Cu、Au等）的蒸发，产量小， 常用于研究 2. 高频感应加热：粒子粒径均匀、产量大，高熔点低蒸气压物质的纳米微粒(W、 Ta、Mo等)难制备 3. 激光加热：不受蒸发物质的污染，适于制备高熔点的金属纳米粒子以及各种 氧化物、碳化物和氮化物等 4. 电子束加热：可制备高熔点金属以及相应的氧化物、碳化物、氮化物等纳米 粒子，通常在高真空中使用 5. 微波加热：加热速度快且均匀，节能高效，易于控制，但不适用于金属材料 6. 电弧加热：有气中电弧和真空电弧两种
气体冷凝法
影响纳米微粒粒径大小的因素
惰性气体压力的影响
气体冷凝法
控制纳米粉体粒径的两类途径：
• 调节惰性气体压力或原子量； 惰性气体原子量加大，或其压力增大，粒子近似
的成比例增大。
• 调节蒸发物质的分压（即蒸发温度或速率）。 蒸发源温度升高，蒸发速率增加，原物质蒸气压
力增加，粒子变大
气体冷凝法
零维纳米材料的制备
气相法
零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度，如 纳米微粒或团簇。
Ni, Cu纳米粒子
纳米金属镍
氧化物纳米颗粒
CeO2
In2O3
100 nm
5 nm
AlN纳米颗粒
100 祄
CdS nanocrystals
20 nm
2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林 托斯藤-兹欧姆巴在德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点（SiGe
蒸发冷凝法的优点：
• 表面清洁； • 粒度齐整，粒度分布窄； • 粒度容易控制。
影响纳米微粒粒径大小的因素 • 惰性气体压力：惰性气体压力的增加，粒子变大。
• 惰性气体的原子量：大原子质量的惰性气体将导致更大 的粒子。（碰撞机会增多，冷却速度加快）
• 蒸发温度或速率：蒸发源温度的升高，蒸发速率增加， 蒸发物质的分压增加，碰撞机会增多，粒径增大。在一 级近似下，粒子大小正比于lnPv (Pv为金属蒸气的压力)。
惰性气体中的蒸发冷 凝法制备纳米铜粉
实验原理
电阻加热法制备纳米粉体 是在真空状态及惰性气体 氩气和氢气中，利用电阻 发热体将金属、合金或陶 瓷蒸发气化，然后与惰性 气体碰撞、冷却、凝结而 形成纳米微粒。
quantum dot)：高15nm，直径70nm。
纳米颗粒合成与生产的技术要求
• 纯度与表面洁净度 （纯度高，表面洁净） • 平均粒径与粒径分布 （粒径均匀，粒度可控） • 外部形貌与内部结构的稳定度（形貌结构稳定） • 团聚性能（不易团聚） • 产率与成本（原材料成本和能耗低） • 对环境无污染、绿色低碳（对环境污染小，碳排放
气体冷凝法
合成实验装置
气体冷凝法
Al
Ag-
ZnO
CeO2
In2O3 纳米颗粒
气体冷凝法
气体冷凝法
Fe-Co合金纳米颗粒
气体蒸发法中，初期纳米微粒聚 集，结合而形成的纳米微粒（颗 粒大小为20一30nm)
生成的磁性合金连接成链状时的状态 （纳米微粒组成为Fe-Co合金，平均粒 径为20nm)
气体冷凝法
低）
纳米颗粒的制备方法分类
自下而上
自上而下
合成方式？
是否发生化学反应？
反应体系的状态？
纳米颗粒的合成方式
粉碎法
将块状物质粉碎、 细化，从而得到 不同粒径范围的 纳米粒子。
构筑法
由小极限原子或 分子的集合体人 工合成纳米粒子。
www.chem.umn.edu/netstep/2007/january/3stein.html
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
其它方法
气相法制备纳米微粒
气相法的定义：直接利用气体或者通过加热将生长物质变为气体，使之在
气体状态下发生物理或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微
粒的方法。
•物理气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法 溅射法 真空沉积法 加热蒸发法 混合等离子体法
气相分解法 气相合成法 气－固反应法
气相法制备纳米微粒
气相法所制得的纳米颗粒主要具有如下特点: ①表面清洁; ②粒度整齐,粒径分布窄; ③粒度容易控制; ④颗粒分散性好。
优缺点： • 优点：气相法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。
• 缺点：设备要求高
气体冷凝法
• 气体冷凝法是在低压的氩、氮等惰性气体中加热物质 （金属，化合物），使其蒸发后形成超微粒(1—1000 nm) 或纳米微粒的方法。
气体冷凝法制备纳米颗粒的发展过程：
• 1963年，由Ryozi Uyeda及其合作者研制出，即通过在 纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米 微粒。
构筑法
构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成纳米粒子
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
粒百度文库
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
制 备
液相法 溶胶－凝胶法
• 在蒸发过程中，原物质发 出的原子与惰性气体原子 碰撞而迅速损失能量而冷 却，在原物质蒸气中造成 很高的局域过饱和，导致
• 均匀的成核过程，在接近 冷却棒的过程中，原物质 蒸气首先形成原子簇，然 后形成单个纳米微粒。
• 在接近冷却棒表面的区域 内，单个纳米微粒聚合长 大，最后在冷却棒表面上 积累起来。
• 20世纪80年代初，Gleiter等首先提出，将气体冷凝法制 得具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件下紧压致 密得到多晶体(纳米微晶)。
气体冷凝法
气体冷凝法的原理
• 在超高真空室内进行,通过分 子 涡 轮 使 其 达 到 0.1Pa 以 上 的 真空度，然后充入低压(约 2KPa) 的 纯 净 惰 性 气 体 (He 或 Ar)。
• 欲蒸的物质(例如，金属， CaF2，NaCl，FeF等离子化合 物、过渡族金属氮化物及易 升华的氧化物等)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，产生原物质烟雾，由于 惰性气体的对流，烟雾向上 移动，并接近充液氦的冷却 棒(冷阱，77K)。
气体冷凝法
气体冷凝法的原理
气相法制备纳米微粒
原材料生长物质的加热：
•产生气相通常需要加热； •不同的加热方法制备出的超微粒的量、品种、粒径大小及分布等存在 一些差别。
气相法的加热源
1. 电阻加热：主要是进行低熔点金属（ Ag、Al、Cu、Au等）的蒸发，产量小， 常用于研究 2. 高频感应加热：粒子粒径均匀、产量大，高熔点低蒸气压物质的纳米微粒(W、 Ta、Mo等)难制备 3. 激光加热：不受蒸发物质的污染，适于制备高熔点的金属纳米粒子以及各种 氧化物、碳化物和氮化物等 4. 电子束加热：可制备高熔点金属以及相应的氧化物、碳化物、氮化物等纳米 粒子，通常在高真空中使用 5. 微波加热：加热速度快且均匀，节能高效，易于控制，但不适用于金属材料 6. 电弧加热：有气中电弧和真空电弧两种
气体冷凝法
影响纳米微粒粒径大小的因素
惰性气体压力的影响
气体冷凝法
控制纳米粉体粒径的两类途径：
• 调节惰性气体压力或原子量； 惰性气体原子量加大，或其压力增大，粒子近似
的成比例增大。
• 调节蒸发物质的分压（即蒸发温度或速率）。 蒸发源温度升高，蒸发速率增加，原物质蒸气压
力增加，粒子变大
气体冷凝法
零维纳米材料的制备
气相法
零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度，如 纳米微粒或团簇。
Ni, Cu纳米粒子
纳米金属镍
氧化物纳米颗粒
CeO2
In2O3
100 nm
5 nm
AlN纳米颗粒
100 祄
CdS nanocrystals
20 nm
2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林 托斯藤-兹欧姆巴在德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点（SiGe
蒸发冷凝法的优点：
• 表面清洁； • 粒度齐整，粒度分布窄； • 粒度容易控制。
影响纳米微粒粒径大小的因素 • 惰性气体压力：惰性气体压力的增加，粒子变大。
• 惰性气体的原子量：大原子质量的惰性气体将导致更大 的粒子。（碰撞机会增多，冷却速度加快）
• 蒸发温度或速率：蒸发源温度的升高，蒸发速率增加， 蒸发物质的分压增加，碰撞机会增多，粒径增大。在一 级近似下，粒子大小正比于lnPv (Pv为金属蒸气的压力)。
惰性气体中的蒸发冷 凝法制备纳米铜粉
实验原理
电阻加热法制备纳米粉体 是在真空状态及惰性气体 氩气和氢气中，利用电阻 发热体将金属、合金或陶 瓷蒸发气化，然后与惰性 气体碰撞、冷却、凝结而 形成纳米微粒。
quantum dot)：高15nm，直径70nm。
纳米颗粒合成与生产的技术要求
• 纯度与表面洁净度 （纯度高，表面洁净） • 平均粒径与粒径分布 （粒径均匀，粒度可控） • 外部形貌与内部结构的稳定度（形貌结构稳定） • 团聚性能（不易团聚） • 产率与成本（原材料成本和能耗低） • 对环境无污染、绿色低碳（对环境污染小，碳排放
气体冷凝法
合成实验装置
气体冷凝法
Al
Ag-
ZnO
CeO2
In2O3 纳米颗粒
气体冷凝法
气体冷凝法
Fe-Co合金纳米颗粒
气体蒸发法中，初期纳米微粒聚 集，结合而形成的纳米微粒（颗 粒大小为20一30nm)
生成的磁性合金连接成链状时的状态 （纳米微粒组成为Fe-Co合金，平均粒 径为20nm)
气体冷凝法
低）
纳米颗粒的制备方法分类
自下而上
自上而下
合成方式？
是否发生化学反应？
反应体系的状态？
纳米颗粒的合成方式
粉碎法
将块状物质粉碎、 细化，从而得到 不同粒径范围的 纳米粒子。
构筑法
由小极限原子或 分子的集合体人 工合成纳米粒子。
www.chem.umn.edu/netstep/2007/january/3stein.html
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
其它方法
气相法制备纳米微粒
气相法的定义：直接利用气体或者通过加热将生长物质变为气体，使之在
气体状态下发生物理或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微
粒的方法。
•物理气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法 溅射法 真空沉积法 加热蒸发法 混合等离子体法