材料制備新技術(shù)論文
材料制備新技術(shù)論文
材料制備新技術(shù)使制備工藝效率及質(zhì)量均得到有效提高,這是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的材料制備新技術(shù)論文，僅供參考!
材料制備新技術(shù)論文篇一
ZnO納米半導(dǎo)體材料制備
摘 要：文章闡述了一些制備ZnO納米半導(dǎo)體材料的常用技術(shù)，如模板制備法、物理氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延、金屬有機(jī)化合物氣相沉積，并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：ZnO;模板制備法; PVD; PLD; 金屬有機(jī)化合物氣相沉積
隨著 科學(xué)和商業(yè)的飛速 發(fā)展，人們對(duì)納米半導(dǎo)體材料有了更加深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)其在光學(xué)器件和電學(xué)器件方面的應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣。最初人們?cè)谘芯縕nSe和GaN等短波長納米半導(dǎo)體材料方面取得了一定的進(jìn)展， GaN制備藍(lán)綠光LED的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，由于ZnSe穩(wěn)定性較差，一直使之無法商品化生產(chǎn)。在長期的對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料的科學(xué)研究中，人們發(fā)現(xiàn)ZnO半導(dǎo)體納米材料具有更多的優(yōu)點(diǎn)。ZnO是一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體氧化物材料，室溫下能帶寬度為3.37eV，略低于GaN的3.39eV，其激子束縛能(60 meV)遠(yuǎn)大于GaN(25 meV)的激子束縛能。由于納米ZnO在紫外波段有較強(qiáng)的激子躍遷發(fā)光特性，所以在短波長光子學(xué)器件領(lǐng)域有較廣的應(yīng)用前景。此外，ZnO納米半導(dǎo)體材料還可沉積在除Si以外的多種襯底上，如玻璃、Al2O3、GaAs等，并在 0.4-2μm 的波長范圍內(nèi)透明，對(duì)器件相關(guān)電路的單片集成有很大幫助，在光電集成器件中具有很大的潛力。本文闡述了近年來ZnO納米半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)，并對(duì)這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。
ZnO 是一種應(yīng)用較廣的半導(dǎo)體材料，在很多光學(xué)器件和電學(xué)器件中有很廣泛的應(yīng)用，由此也產(chǎn)生了多種納米半導(dǎo)體器件的制備方法，主要有以下幾種：
1模板制備法
模板制備法是一種用化學(xué)方法進(jìn)行納米材料制備的方法，被廣泛地用來合成各種各樣的納米棒、納米線、納米管等。此種方法使分散的納米粒子在已做好的納米模板中成核和生長，因此，納米模板的尺寸和形狀決定了納米產(chǎn)物的外部特征?？茖W(xué)家們已經(jīng)利用孔徑為40 nm和20 nm左右的多孔氧化鋁模板得到了高度有序的ZnO納米線。鄭華均等人用電化學(xué)陽極氧化-化學(xué)溶蝕技術(shù)制備出了一種新型鋁基納米點(diǎn)陣模板，此模板由無數(shù)納米凹點(diǎn)和凸點(diǎn)構(gòu)成，并在此模板上沉積出ZnO納米薄膜。此外，李長全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸鈉為模板制備出ZnO納米管。該方法優(yōu)點(diǎn)：較容易控制納米產(chǎn)物的尺寸、形狀。缺點(diǎn)：需要模板有較高的質(zhì)量。
2物理氣相沉積(PVD)
物理氣相沉積可以用來制備一維ZnO納米線和二維ZnO納米薄膜，原理是通過對(duì)含Zn材料進(jìn)行濺射、蒸發(fā)或電離等過程，產(chǎn)生Zn粒子并與反應(yīng)氣體中的O反應(yīng)，生成ZnO化合物，在襯底表面沉積。物理氣象沉積技術(shù)已經(jīng)演化出三種不同的方法，它們是真空蒸發(fā)法，真空濺射法和離子鍍，離子鍍是目前應(yīng)用較廣的。離子鍍是人們?cè)趯?shí)踐中獲得的一種新技術(shù)，將真空蒸發(fā)法和濺射法結(jié)合起來，在高真空環(huán)境中加熱材料使之汽化后通入氫氣，在基體相對(duì)于材料間加負(fù)高壓，產(chǎn)生輝光放電，通過電場(chǎng)作用使大量被電離的材料的正離子射向負(fù)高壓的襯底，進(jìn)行沉積。張琦鋒、孫暉等人用氣相沉積方法已經(jīng)制備出了一維ZnO納米半導(dǎo)體材料。優(yōu)點(diǎn)：所得到的納米產(chǎn)物純度高，污染小;薄膜厚度易于控制;材料不受限制。但是這種方法對(duì)真空度要求較高。
3脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition)
脈沖激光沉積也稱PLD，常用于納米薄膜的制備。其工作原理就是用特定波長和功率的激光脈沖聚焦光束，濺射真空狀態(tài)下特定氣壓中的加熱靶材，激光束與靶材相互作用而產(chǎn)生的粒子團(tuán)噴射到襯底表面，通過控制氣流速度控制材料在襯底表面的沉積速度。牛海軍等人用一種新穎的垂直靶向脈沖激光沉積(VTPLD)方法,在常溫常壓空氣環(huán)境下,在玻璃基底上得到ZnO納米薄膜。該方法優(yōu)點(diǎn)：制備的薄膜物質(zhì)比例與靶材相同;實(shí)驗(yàn)控制條件較少，易于控制;襯底溫度要求較低。缺點(diǎn)：薄膜雜志較多;單純?yōu)R射產(chǎn)生的粒子團(tuán)密度不易控制，因此無法大面積生長均勻的薄膜。
4分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)
分子束外延(MBE)技術(shù)可以制備高質(zhì)量薄膜。MBE技術(shù)可以在特定超高真空條件下較為精確的控制分子束強(qiáng)度，把分子束入射到被加熱的基片上，可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。分子束外延設(shè)備主要包括超高真空系統(tǒng)、分子束源、樣品架、四極質(zhì)譜計(jì)QMS和反射式高能 電子衍射裝置RHEED。周映雪等人利用分子束外延(MBE) 和氧等離子體源輔助MBE方法分別在三種不同襯底硅(100)、砷化鎵(100)和藍(lán)寶石 (0001)上先制備合適的緩沖層，然后在緩沖層上得到外延生長的ZnO薄膜。該方法優(yōu)點(diǎn)：生長速度極慢，每秒1～10;薄膜可控性較強(qiáng);外延生長所需溫度較低。缺點(diǎn)：真空環(huán)境要求較高;無法大量生產(chǎn)。目前常用于生長高質(zhì)量的ZnO薄膜分子束外延有兩種：一種是等離子增強(qiáng)，另一種是激光，兩種方法均已生長出高質(zhì)量的ZnO 薄膜。
5金屬有機(jī)化合物氣相沉積( Metal Organic Chemical Vapor Deposition):
金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)是一種利用有機(jī)金屬在加熱襯底上的熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長薄膜的方法。反應(yīng)室是MOCVD 的核心部分，它對(duì)外延層厚度、組分均勻性、異質(zhì)結(jié)界面梯度、本底雜質(zhì)濃度以及產(chǎn)量有極大的影響。按反應(yīng)室形狀的不同，可分為水平式反應(yīng)室和立式反應(yīng)室，同時(shí)根據(jù)反應(yīng)室的壓力又可分為常壓 MOCVD 和低壓MOCVD。劉成有利用MOCVD方法制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜。在一定襯底溫度及壓強(qiáng)下,制備出ZnO納米管。該方法優(yōu)點(diǎn)是： 薄膜可控性較強(qiáng);適合大批量生產(chǎn)。其缺點(diǎn)有：需精確控制;傳輸氣體有毒性。但目前不僅利用 MOCVD 法已生長出較高質(zhì)量的 ZnO 薄膜，而且還獲得了 MgZnO 三元系薄膜。
除上述納米材料的常用制備技術(shù)，還有很多其他方法。隨著科技的 發(fā)展和高質(zhì)量納米產(chǎn)品的需求，人們對(duì)納米半導(dǎo)體材料的研究會(huì)更加深入，對(duì)其生長機(jī)理理解的更為透徹，隨之納米半導(dǎo)體材料制備技術(shù)將不斷地發(fā)展和完善。高質(zhì)量納米半導(dǎo)體產(chǎn)品會(huì)不斷出現(xiàn)，并被廣泛的應(yīng)用于人們的生活中。
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材料制備新技術(shù)論文篇二
納米材料制備方法研究
摘要:介紹了幾種納米材料的物理和化學(xué)制備方法,并對(duì)不同方法的優(yōu)劣進(jìn)行了討論。
關(guān)鍵詞:納米材料;物理方法;化學(xué)方法
1引言
納米材料和納米科技被廣泛認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新型材料和科技領(lǐng)域之一。早在二十世紀(jì)60年代,英國化學(xué)家Thomas就使用“膠體”來描述懸浮液中直徑為1nm-100nm的顆粒物。1992年,《Nanostructured Materials》正式出版,標(biāo)志著納米材料學(xué)成為一門獨(dú)立的 科學(xué) 。納米材料是指任意一維的尺度小于100nm的晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體以及界面層結(jié)構(gòu)的材料。當(dāng)粒子尺寸小至納米級(jí)時(shí),其本身將具有表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),這些效應(yīng)使得納米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制備了碳納米管以來,一維納米材料由于具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和廣闊的 應(yīng)用前景而引起了人們的廣泛關(guān)注。納米結(jié)構(gòu)無機(jī)材料因具有特殊的電、光、 機(jī)械和熱性質(zhì)而受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。美國?991年開始把納米技術(shù)列入“政府關(guān)鍵技術(shù)”,我國的 自然 科學(xué)基金等各種項(xiàng)目和研究機(jī)構(gòu)都把納米材料和納米技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。由于納米材料的形貌和尺寸對(duì)其性能有著重要的影響,因此,納米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作為高級(jí)納米結(jié)構(gòu)材料和納米器件的基本構(gòu)成單元(Bui1ding Blocks),納米顆粒的合成與組裝是納米科技的重要組成部分和基礎(chǔ)。本文簡(jiǎn)單綜述了納米材料合成與制備中常用的幾種方法,并對(duì)其優(yōu)劣進(jìn)行了比較。
2納米材料的合成與制備方法
2.1物理制備方法?
2.1.1機(jī)械法?
機(jī)械法有機(jī)械球磨法、機(jī)械粉碎法以及超重力技術(shù)。機(jī)械球磨法無需從外部供給熱能,通過球磨讓物質(zhì)使材料之間發(fā)生界面反應(yīng),使大晶粒變?yōu)樾【Я?得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級(jí)的Fe-18Cr-9W合金粉末。機(jī)械粉碎法是利用各種超微粉機(jī)械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉,尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術(shù)利用超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相當(dāng)于重力加速度上百倍的離心加速度,使相間傳質(zhì)和微觀混合得到極大的加強(qiáng),從而制備納米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料,應(yīng)用超重力技術(shù)制備粒徑20nm—80nm、粒度分布均勻的ZnO納米顆粒。
2.1.2氣相法?
氣相法包括蒸發(fā)冷凝法、溶液蒸發(fā)法、深度塑性變形法等。蒸發(fā)冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應(yīng)、等離子體、激光、 電子 束、電弧感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達(dá)到過飽和狀態(tài),然后在氣體介質(zhì)中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki等在惰性氣體保護(hù)下,利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體,粒徑在30nm—50 nm范圍內(nèi)可控。魏勝用蒸發(fā)冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發(fā)法是將溶劑制成小滴后進(jìn)行快速蒸發(fā),使組分偏析最小,一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用下,材料極大程度地發(fā)生塑性變形,而使尺寸細(xì)化到納米量級(jí)。有 文獻(xiàn) 報(bào)道,Φ82mm的Ge在6GPa準(zhǔn)靜壓力作用后,再經(jīng)850℃熱處理,納米結(jié)構(gòu)開始形成,材料由粒徑100nm的等軸晶組成,而溫度升至900℃時(shí),晶粒尺寸迅速增大至400nm。
2.1.3磁控濺射法與等離子體法?
濺射技術(shù)是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子,交換能量或動(dòng)量,使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無相變,化合物的成分不易發(fā)生變化。目前,濺射技術(shù)已經(jīng)得到了較大的 發(fā)展 ,常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應(yīng)磁控濺射等技術(shù)。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛中通過直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體,從而使原料溶液化合蒸發(fā),蒸汽達(dá)到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高,能制備難熔的金屬或化合物,產(chǎn)物純度高,在惰性氣氛中,等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。
以上介紹了幾種常用的納米材料物理制備方法,這些制備方法基本不涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),因此,在控制合成不同形貌結(jié)構(gòu)的納米材料時(shí)具有一定的局限性。
2.2化學(xué)制備方法?
2.2.1溶膠—凝膠法?
溶膠—凝膠法的化學(xué)過程首先是將原料分散在溶劑中,然后經(jīng)過水解反應(yīng)生成活性單體,活性單體進(jìn)行聚合,開始成為溶膠,進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金屬和含N聚合物組成)在溶液中與H2S反應(yīng),生成的ZnS顆粒粒度分布窄,且被均勻包覆于聚合物基體中,粒徑范圍可控制在2nm-5nm之間。Marcus Jones等以CdO為原料,通過加入Zn(CH?3)?2和S[Si(CH?3)?3]?2制得了ZnS包裹的CdSe量子點(diǎn),顆粒平均粒徑為3.3nm,量子產(chǎn)率(quantum yield,QY)為13.8%。
2.2.2離子液法?
離子液作為一種特殊的有機(jī)溶劑,具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),如粘度較大、離子傳導(dǎo)性較高、熱穩(wěn)定性高、低毒、流動(dòng)性好以及具有較寬的液態(tài)溫度范圍等。即使在較高的溫度下,離子液仍具有低揮發(fā)性,不易造成 環(huán)境污染,是一類綠色溶劑。因此,離子液是合成不同形貌納米結(jié)構(gòu)的一種良好介質(zhì)。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺為原料,在室溫下于離子液介質(zhì)中合成出了大小均勻的、尺寸為3μm—5μm的Bi2S3納米花。他們認(rèn)為溶液的pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)納米花的形貌和晶相結(jié)構(gòu)有很重要的影響。他們證實(shí),這些納米花由直徑60nm—80 nm的納米線構(gòu)成,隨老化時(shí)間的增加,這些納米線會(huì)從母花上坍塌,最終形成單根的納米線。趙榮祥等采用硝酸鉍和硫脲為先驅(qū)原料,以離子液為反應(yīng)介質(zhì),合成了單晶Bi2S3納米棒。
2.2.3溶劑熱法?
溶劑熱法是指在密閉反應(yīng)器(如高壓釜)中,通過對(duì)各種溶劑組成相應(yīng)的反應(yīng)體系加熱,使反應(yīng)體系形成一個(gè)高溫高壓的環(huán)境,從而進(jìn)行實(shí)現(xiàn)納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。Lou等采用單源前驅(qū)體Bi[S?2P(OC?8H??17)2]3作反應(yīng)物,用溶劑熱法制得了高度均勻的正交晶系Bi?2S?3納米棒,且該方法適于大規(guī)模生產(chǎn)。Liu等用Bi(NO3)3•5H2O、NaOH及硫的化合物為原料,甘油和水為溶劑,采用溶劑熱法在高壓釜中160℃反應(yīng)24-72 h制得了長達(dá)數(shù)毫米的Bi2S3納米帶。
2.2.4微乳法?
微乳液制備納米粒子是近年發(fā)展起來的新興的研究領(lǐng)域,具有制得的粒子粒徑小、粒徑接近于單分散體系等優(yōu)點(diǎn)。1943年Hoar等人首次報(bào)道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合,可自發(fā)地形成一種熱力學(xué)穩(wěn)定體系,體系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圓柱形顆粒組成,并將這種體系定名微乳液。自那以后,微乳理論的應(yīng)用研究得到了迅速發(fā)展。1982年,Boutonnet等人應(yīng)用微乳法,制備出Pt、Pd等金屬納米粒子。微乳法制備納米材料,由于它獨(dú)特的工藝性能和較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置,在實(shí)際應(yīng)用中受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
4結(jié)論
納米材料由于具有特異的光、電、磁、催化等性能,可廣泛 應(yīng)用于國防軍事和民用 工業(yè) 的各個(gè)領(lǐng)域。它不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用,也為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)帶來生機(jī)和活力。隨著納米材料制備技術(shù)的不斷開發(fā)及應(yīng)用范圍的拓展,工業(yè)化生產(chǎn)納米材料必將對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。但到目前為止,開發(fā)出來的產(chǎn)品較難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、商品化規(guī)模。主要問題是:對(duì)控制納米粒子的形狀、粒度及其分布、性能等的研究很不充分;納米材料的收集、存放,尤其是納米材料與納米科技的生物安全性更是急待解決的問題。這些問題的研究和解決將不僅加速納米材料和納米科技的應(yīng)用和開發(fā),而且將極大地豐富和 發(fā)展 材料 科學(xué) 領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論。
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