化學合成氣相沉積.ppt

第六章納米材料的制備方法 構筑法 粉碎法 物理法 化學法 氣相法 液相法 固相法 3 2 1 自下而上BottomUp 自上而下TopDown 納米粒子制備方法 物理法 化學法 粉碎法構筑法 沉淀法水熱法溶膠 凝膠法冷凍干燥法噴霧法 干式粉碎濕式粉碎 氣體冷凝法濺射法氫電弧等離子體法 共沉淀法均相沉淀法水解沉淀法 納米粒子合成方法分類 氣相反應法液相反應法 氣相分解法氣相合成法氣 固反應法 其它方法 如球磨法 納米粒子制備方法 氣相法 液相法 沉淀法水熱法溶膠 凝膠法冷凍干燥法噴霧法 氣體冷凝法氫電弧等離子體法濺射法真空沉積法加熱蒸發(fā)法混合等離子體法 共沉淀法化合物沉淀法水解沉淀法 納米粒子合成方法分類 固相法 粉碎法 干式粉碎濕式粉碎 化學氣相反應法 氣相分解法氣相合成法氣 固反應法 物理氣相法 熱分解法 其它方法 固相反應法 6 1氣相法制備納米微粒 定義 氣相法指直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變?yōu)闅怏w 使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理或化學反應 最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒的方法優(yōu)點 顆粒細 團聚少 可以制備出液相法難以制得的金屬碳化物 氮化物 硼化物等非氧化物超微粉缺點 設備要求高 氣相法的加熱源1 電阻加熱 主要是進行低熔點金屬 Ag Al Cu Au等 的蒸發(fā) 產(chǎn)量小 常用于研究2 高頻感應加熱 粒子粒徑均勻 產(chǎn)量大 高熔點低蒸氣壓物質(zhì)的納米微粒 W Ta Mo等 難制備3 激光加熱 不受蒸發(fā)物質(zhì)的污染 適于制備高熔點的金屬納米粒子以及各種氧化物 碳化物和氮化物等4 電子束加熱 可制備高熔點金屬以及相應的氧化物 碳化物 氮化物等納米粒子 通常在高真空中使用5 微波加熱 加熱速度快且均勻 節(jié)能高效 易于控制 但不適用于金屬材料6 電弧加熱 有氣中電弧和真空電弧兩種 6 1 1物理氣相沉淀法 PVD 定義 在整個納米材料形成過程中沒有發(fā)生化學反應 主要是利用各種熱源促使金屬等塊體材料蒸發(fā)氣化 然后冷卻沉積而得到納米材料 主要用于制備金屬納米微粒分類 1 氣體冷凝法 設備相對簡單 得到的納米顆粒表面清潔 粒度容易控制 適于低熔點金屬納米粒子的合成 2 氫電弧等離子體法 微粒的生成量隨等離子氣體中的氫氣濃度增加而上升 已制備出三十多種納米金屬 等離子體溫度高 和合金 也有部分氧化物 但是要克服等離子體噴射的射流將金屬熔融物質(zhì)本身吹飛的技術難題3 濺射法 不需要坩鍋 靶材料蒸發(fā)面積大 可制備多種金屬納米微粒及多組元的化合物納米微粒4 通電加熱蒸發(fā)法 通過碳棒與金屬相接觸 通電加熱使金屬熔化 金屬與高溫碳素反應并蒸發(fā)形成碳化物超微粒子 但是高熔點金屬只能得到非晶態(tài)納米微粒 熔點比碳棒高 5 流動液面上真空蒸度法 制備Ag Au Pd Fe Ni In等超微粒子 粒徑小 約3nm 可控 6 1 2化學氣相沉積法 CVD 定義 在氣態(tài)下 通過化學反應 使反應產(chǎn)物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓 自動凝聚形成大量的晶核 這些晶核不斷長大 聚集成納米顆粒的過程特點 保形性 生成物質(zhì)單一 沉淀后即得晶體或細粉狀物質(zhì)常用加熱方法 1 電爐直接加熱 主要有電阻絲 等離子體加熱等 2 激光誘導 利用反應氣體分子 或光敏分子 對特定波長激光束的吸收 引起反應氣體分子光解 熱解 光敏化反應和激光誘導化學合成反應分類 由原料蒸發(fā)方式的不同 可分為等離子增強化學氣相沉積法 PECVD法 和激光誘導化學氣相沉積法 LICVD法 等 由反應類型不同分為熱解化學氣相沉積 化學合成氣相沉積 化學輸運反應1 熱解化學氣相沉積 條件是分解原料通常容易揮發(fā) 蒸氣壓 反應活性高 一般的反應形式為 A 氣 B 固 C 氣 2 化學合成氣相沉積 高溫下發(fā)生 激光誘導 氣相反應 一般的反應形式為 A 氣 B 氣 C 固 D 氣 3SiH4 g 4NH3 g Si3H4 s 12H2 g 3SiCl4 g 4NH3 g Si3N4 s 12HCl g 2SiH4 g C2H4 g 2SiC s 6H2 g BCl3 g 3 2NH3 g B s 3HCl g Fe CO 5 g Fe s 5CO g 3 Si NH 2 Si3N4 s 2NH3 g CH3 4Si SiC s 6H2 g 2Si OH 4 2SiO2 s 4H2O g 3 化學輸運反應 把所需要的物質(zhì)當做源物質(zhì) 借助于適當?shù)臍怏w介質(zhì)與之反應而形成一種氣態(tài)化合物 這種氣態(tài)化合物經(jīng)化學遷移或物理載帶 用載氣 輸運到與源區(qū)溫度不同的沉淀區(qū) 再發(fā)生逆向反應 使得源物質(zhì)重新沉淀出來 這樣的過程稱為化學輸運反應 上述氣體介質(zhì)叫做輸運劑 6 2液相法制備納米微粒 定義 將均相溶液通過各種途徑使溶質(zhì)和溶劑分離 溶質(zhì)形成一定形狀和大小的顆粒 得到所需粉末的前驅(qū)體 熱解后得到納米微粒特點 設備簡單 原料容易獲得 純度高 均勻性好 化學組成控制準確等優(yōu)點 主要用于氧化物系超微粉的制備 6 2 1沉淀法 定義 包含一種或多種陽離子的可溶性鹽溶液 當加入沉淀劑 如OH CO32 等 后 或于一定溫度下使溶液發(fā)生水解或直接沉淀 形成不溶性氫氧化物 氧化物或無機鹽類 直接或經(jīng)熱分解得到所需的納米微粒 分類 1 共沉淀 含多種 兩種或兩種以上 陽離子的溶液中加入沉淀劑后 所有離子完全沉淀的方法制備納米微粒的方法 它又可分成單相共沉淀法和混合物共沉淀法 為了獲得沉淀的均勻性 通常采用反滴法 對粒徑進行有效控制 防止顆粒間的絮凝團聚 通常是利用高聚物作為分散劑防止團聚2 均相沉淀法 利用某一化學反應使溶液中的構晶離子由溶液中緩慢均勻的釋放出來 通過控制溶液中沉淀劑濃度 使溶液中的沉淀處于平衡狀態(tài) 且沉淀能在整個溶液中均勻地出現(xiàn)例如 隨尿素水溶液的溫度逐漸升高至70 附近 尿素會發(fā)生分解 即 NH2 2CO 3H2O 2NH4 OH CO2生成的沉淀劑NH4 OH在金屬鹽的溶液中分布均勻 濃度低 使得沉淀物均勻地生成 3 直接沉淀法 在金屬鹽溶液中加入沉淀劑 在一定條件下生成沉淀析出 沉淀經(jīng)洗滌 熱分解等處理工藝后得到超細產(chǎn)物 操作簡單 對設備要求不高 不易引入雜質(zhì) 產(chǎn)品純度高 但洗滌原溶液中的陰離子較難 得到的粒子粒徑分布較寬4 金屬醇鹽水解法 利用一些金屬有機醇鹽能溶于有機溶劑并可能發(fā)生水解反應 生成氫氧化物或氧化物沉淀的特性來制備超細粉末的方法 產(chǎn)物純度高 組成均一金屬醇鹽制備方法 金屬與醇反應 金屬鹵化物與醇反應 6 2 2噴霧法 定義 是指溶液通過各種物理手段進行霧化獲得超微粒子的一種化學與物理相結(jié)合的方法 特點 顆粒分布比較均勻 但顆粒尺寸為亞微米到l0um分類 根據(jù)霧化和凝聚過程分為下述三種方法 噴霧干燥法 霧化水解法 霧化焙燒法 6 2 3水熱法 定義 在高壓釜里的高溫 100 1000 高壓 1 100Mpa 反應環(huán)境中 采用水作為反應介質(zhì) 使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解 在高壓環(huán)境下制備納米微粒的方法 水熱法使前驅(qū)物得到充分的溶解 形成原子或分子生長基元 最后成核結(jié)晶 反應過程中還可進行重結(jié)晶 特點 水熱法能避免一般液相合成技術中高溫煅燒等可能混入雜質(zhì)的步驟 可制備氧化物或少數(shù)一些對水不敏感的硫化物 分類 由反應的類型可分為水熱結(jié)晶法 水熱合成法 水熱分解法 水熱氧化法 水熱還原法等溶劑熱法 采用有機溶劑代替水作介質(zhì) 擴大了水熱技術的應用范圍 可制備在水溶液中無法長成 易氧化 易水解或?qū)λ舾械牟牧?反應過程易于控制 粒徑的大小也可以有效控制 6 2 4溶膠 凝膠法 定義 金屬有機和無機化合物經(jīng)過溶液 溶膠 凝膠而固化 再經(jīng)熱處理而形成氧化物或其它化合物納米材料的方法特點 所得粉體純度高 化學均勻性好 并且易于制得多種復合材料 主要用來制備薄膜和粉體材料溶膠 凝膠過程 溶膠的制備 溶膠 凝膠轉(zhuǎn)化 凝膠干燥 溶膠 凝膠的形成過程 水解 單體發(fā)生縮合和聚合反應形成顆粒 顆粒長大 顆粒團聚 網(wǎng)狀結(jié)構的形成 溶膠變稠形成凝膠 溶膠 凝膠法在制備功能陶瓷等納米材料方面由廣泛的應用 例如 以ZrCl4和水合無機鹽為原料 用此法可合成穩(wěn)定的四方多晶體ZrO2粉 該粉在550 下焙燒2小時后粒徑為40nm 在高于1220 壓力為23MPa條件下燒結(jié)1小時 燒結(jié)體密度可達理論密度 以醋酸鉛 Ca NO3 2和鈦酸丁脂為原料 采用溶膠 凝膠法可成功地制備具有良好導電 壓電 熱釋電及光學特性的 Pb Ca TiO3納米粉體材料 這些顆粒呈球狀 粒徑為30 50nm 且分散性好 6 2 5自組裝法 定義 在無人為干涉條件下 組元通過共價鍵等作用自發(fā)地締結(jié)成熱力學上穩(wěn)定 結(jié)構上確定 性能上特殊的聚集體的過程納米結(jié)構的組裝體系的形成有兩個重要的條件 一是有足夠數(shù)量的非共價鍵或氫鍵存在二是自組裝體系能量較低 6 2 6模板法 定義 將納米微粒限制在聚合物基體結(jié)構中 從而提高納米微粒的穩(wěn)定性分類 1 硬模板 法 利用材料的內(nèi)表面或外表面為模板 填充到模板的單體進行化學或電化學反應 通過控制反應時間 除去模板后可以得到納米顆粒 納米棒 納米線或納米管 空心球和多孔材料等 經(jīng)常使用的硬模板包括分子篩 多孔氧化鋁膜 徑跡蝕刻聚合物膜 聚合物纖維 納米碳管和聚苯乙烯微球等等 2 軟模板 法 通常為兩親性分子 表面活性劑 形成的有序聚集體 主要包括 膠束 反相微乳液 液晶等二者方法的同異 都能提供一個有限大小的反應空間 區(qū)別在于前者提供的是靜態(tài)的孔道 物質(zhì)只能從開口處進入孔道內(nèi)部 而后者提供的則是處于動態(tài)平衡的空腔 物質(zhì)可以透過腔壁擴散進出模板法的不足 首先是模板與產(chǎn)物的分離比較麻煩 其次 模板的結(jié)構一般只是在很小的范圍內(nèi)是有序的 很難在大范圍內(nèi)改變 第三 模板的使用造成了對反應條件的限制 6 3固相法制備納米微粒 定義 通過從固相到固相的變化制造粉體 其特征不像氣相法和液相法伴隨有氣相 固相 液相 固相那樣的狀態(tài)變化物質(zhì)的微粉化機理 1 將大塊物質(zhì)極細地分割 粉碎過程 2 將最小單位 原子或分子 組合 構筑過程 分類 粉碎法包括 用球磨機 噴射磨等進行粉碎 化學處理 溶出法 等構筑法包括 熱分解法 大多數(shù)是鹽的分解 固相反應法 化合物 火花放電法 用金屬鋁生產(chǎn)氫氧化鋁 等 1 熱分解法 利用金屬化合物的熱分解反應來制備超微粒的方法 公式 S1S2 G1常選用有機鹽前驅(qū)體 由于有機鹽易提純 金屬組成明確 分解溫度低 但是價格高 產(chǎn)生的碳容易進入分解生成物2 火花放電法 例如 氧化鋁的制備 在水槽內(nèi)放入金屬鋁粒的堆積層 把電極插入層中 利用在鋁粒間發(fā)生的火花放電來制備微粉3 溶出法 例如