納米材料和技術(shù)課件

2024/2/261

納米材料和技術(shù)

NanoMaterialsandTechnology

2024/2/262第一章概論（Overview）

§1-1引言

（Introduction）

1959年，美國(guó)著名物理學(xué)家（1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）費(fèi)因曼教授（R.P.Feynman）曾指出：“如果有一天人類能夠按照人的意志安排一個(gè)原子和分子，那將產(chǎn)生什么奇跡？”今天，這個(gè)美好的愿望由于納米科技的發(fā)展已經(jīng)開(kāi)始走向?qū)崿F(xiàn)。目前，人類已能運(yùn)用納米科技制造出了許多具有奇特性的納米材料，這些特性是相同物質(zhì)的傳統(tǒng)材料所不具備的。2024/2/263

納米科技（NanoScienceandTechnology）的首要任務(wù)是通過(guò)各種手段，如微細(xì)加工技術(shù)和掃描探針技術(shù)等制備納米材料或具有納米尺度的結(jié)構(gòu)；其次借助許多先進(jìn)的觀察測(cè)量技術(shù)與儀器來(lái)研究制備納米材料或納米尺度結(jié)構(gòu)的各種特性；最后根據(jù)其特殊的性質(zhì)來(lái)進(jìn)行有關(guān)的應(yīng)用。因此，納米材料、納米加工制造技術(shù)以及納米測(cè)量表征技術(shù)構(gòu)成納米科技發(fā)展的三個(gè)非常重要的支撐技術(shù)，并奠定了整個(gè)納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)。2024/2/264圖1-1納米科技的主要基礎(chǔ)與重要研究方向2024/2/265

納米科技的核心思想是制造納米尺度的材料或結(jié)構(gòu)，發(fā)掘其不同凡響的特性并對(duì)此予以研究，以致最終能很好地被人們所應(yīng)用。將這種思想和相關(guān)方法引入到各個(gè)領(lǐng)域，便形成形形色色的各類納米科技研發(fā)領(lǐng)域，主要包括：納米體系物理學(xué)；納米體系化學(xué)；納米材料學(xué)；納米生物學(xué)；納米機(jī)械學(xué)；納米加工制造學(xué)；納米表征測(cè)量學(xué)；納米醫(yī)學(xué)等。

2024/2/266§1-2納米材料的概念與分類

（Conceptandgroupsofnanomaterials）

1.2.1納米材料的概念（Conceptofnanomaterials）納米顆粒（Nanoparticle，又稱超微顆粒、超細(xì)粉末等）通常指具有納米尺度的物質(zhì)單元，小于通常的微粉。一般認(rèn)為：無(wú)機(jī)材料的納米顆粒尺寸<100nm。一維納米材料（One-dimensionnanomaterials）通常指在兩個(gè)方向上具有納米尺寸，而在第三個(gè)方向上具有宏觀尺寸的物質(zhì)，包括納米線、納米棒、納米管、納米帶等形態(tài)。2024/2/267二維納米材料（Two-dimensionnanomaterials）通常指在一個(gè)方向上具有納米尺寸，而在其余兩個(gè)方向上具有宏觀尺寸的物質(zhì)，包括納米薄膜、納米涂層等形態(tài)。三維納米材料（Three-dimensionnanomaterials）指由納米尺度的物質(zhì)單元直接構(gòu)成的物質(zhì)、或者納米尺度的物質(zhì)單元與基體相構(gòu)成的物質(zhì)。包括納米固體材料、納米復(fù)合材料。2024/2/268納米固體材料（Nanobulkmaterials）指由納米尺度水平的晶界、相界或位錯(cuò)等缺陷的原子排列而獲得的具有新原子結(jié)構(gòu)或微結(jié)構(gòu)性質(zhì)的固體，又分為納米晶體材料、納米結(jié)構(gòu)材料。2024/2/2690-0復(fù)合指將不同成分、不同相或者不同種類的納米粒子復(fù)合而成的納米固體。0-3復(fù)合指將納米粒子分散到常規(guī)的三維固體中而制備的具有優(yōu)異性能的納米固體，是當(dāng)今納米材料的研究熱點(diǎn)之一。0-2復(fù)合指將納米粒子分散到二維的薄膜材料中而制備的納米固體。又可分為均勻彌散和非均勻彌散兩大類。納米復(fù)合材料的類型（Groupsofnanocomposites）2024/2/2610(1)

按形態(tài)外延分類（Byshape）零維納米材料——原子團(tuán)簇、納米顆粒一維納米材料——納米線、納米棒、納米管、納米帶二維納米材料——納米薄膜、納米涂層三維納米材料——納米固體材料、納米復(fù)合材料1.2.2納米材料的分類（Groupsofnanomaterials）2024/2/2611(2)按結(jié)構(gòu)外延分類（Bystructure）殼/核結(jié)構(gòu)（Shellcorestructure）介孔結(jié)構(gòu)（Mesoporousstructure

）

1991年在葡萄牙首都里斯本召開(kāi)的國(guó)際會(huì)議，將多孔固體劃分為四個(gè)部分：一是微孔固體（孔徑尺寸小于2nm）；二是介孔固體（孔徑尺寸為2-50nm）；三是大孔固體（孔徑小于1μm）；四是宏孔固體（孔徑大于1μm）。其中：介孔固體屬于納米材料領(lǐng)域的范疇。2024/2/2612(3)按傳統(tǒng)材料科學(xué)體系分類（Byconventionalmaterialssystem）納米金屬材料納米陶瓷材料納米高分子材料納米復(fù)合材料2024/2/2613(4)按功能分類（Byperformance）納米電子材料納米磁性材料納米隱身材料納米生物材料2024/2/2614§1-3納米材料的特性

(Characteristicsofnanomaterials)

1.3.1表面效應(yīng)（Surfaceeffect）表面效應(yīng):指納米微粒尺寸小、表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例的現(xiàn)象。圖1-2表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系

2024/2/2615小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米顆粒的表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等宏觀物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，稱為“小尺寸效應(yīng)”。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)主要表現(xiàn)在特殊的光學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等方面。1.3.2小尺寸效應(yīng)（Smallsizeeffect）2024/2/2616寬頻帶強(qiáng)吸收（broad-frequencybandstrongabsorption）大塊金屬具有不同的顏色，這表明它們對(duì)可見(jiàn)光范圍各種顏色（波長(zhǎng)）的反射和吸收能力不同。但是，當(dāng)尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，各種金屬納米顆粒幾乎都呈黑色，它們對(duì)可見(jiàn)光的反射率極低，這種現(xiàn)象稱為“寬頻帶強(qiáng)吸收”。例：各種金屬顆粒尺寸越小，顏色愈黑，例如：黃色的Au、銀白色的Pt、金屬Cr會(huì)變成金黑、鉑黑、鉻黑。(1)特殊的光學(xué)性質(zhì)（Specialopticalproperties）2024/2/2617寬頻帶強(qiáng)吸收的用途（Useofbroad-frequencybandstrongabsorption）利用納米顆粒的這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能?？蓱?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。2024/2/2618藍(lán)移現(xiàn)象（Blueshift）與大塊材料相比，納米顆粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移現(xiàn)象”，即吸收帶移向短波方向，如圖1-3所示。1-6nm;2-4nm;3-2.5nm;4-1nm圖1-3CdS溶膠微粒在不同尺寸下的吸收譜2024/2/2619(2)特殊的熱力學(xué)性質(zhì)（Specialthermodynamicproperties）

固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，當(dāng)超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm數(shù)量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如：

Au常規(guī)熔點(diǎn)1064℃；顆粒尺寸2nm時(shí)，約327℃。

Ag常規(guī)熔點(diǎn)為967℃；而超微Ag顆粒的熔點(diǎn)<100℃。2024/2/2620圖1-4

Au納米顆粒的粒徑與熔點(diǎn)的關(guān)系2024/2/2621用超細(xì)Ag粉制成的導(dǎo)電漿料可進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫陶瓷材料，甚至可用塑料；并且可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具有高質(zhì)量。日本川崎制鐵公司采用0.1-1μm的Cu、Ni超微顆粒制成導(dǎo)電漿料可代替Pd、Ag等貴金屬?！獙?duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。在W顆粒中附加0.1-0.5wt.％的超微Ni顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200℃-1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。特殊熱力學(xué)性質(zhì)的用途（Useofspecialthermodynamicproperties）2024/2/2622

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的超順磁細(xì)菌等生物體中存在超順磁的磁性納米顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性納米顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤(pán)，生活在水中的超順磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。通過(guò)電子顯微鏡的研究表明，在超順磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約20nm的磁性氧化物顆粒。小尺寸的納米顆粒磁性與大塊材料顯著的不同：大塊純鐵的矯頑力約為80A/m，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若尺寸進(jìn)一步減小，減小到6nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。(3)特殊的磁學(xué)性質(zhì)（Specialmagneticproperties）2024/2/2623特殊磁學(xué)性質(zhì)的用途（Useofspecialmagneticproperty）利用磁性納米顆粒具有高矯頑力的特性，已制成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤(pán)、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性納米顆粒制成用途廣泛的磁性液體。2024/2/2624

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。(4)特殊的力學(xué)性質(zhì)（Specialmechanicproperties）2024/2/2625

美國(guó)學(xué)者報(bào)道CaF2納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不發(fā)生斷裂。研究表明：人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯蒀a3(P3O4)2等納米材料構(gòu)成的。納米晶粒金屬要比傳統(tǒng)粗晶粒金屬硬度高3-5倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。

此外，超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。2024/2/2626

各種元素的原子具有特定的光譜線，如Na原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學(xué)已運(yùn)用能級(jí)的概念進(jìn)行了合理的解釋，由無(wú)數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別。1.3.3量子尺寸效應(yīng)（Quantumsizeeffects）

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可是，對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)，能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為“量子尺寸效應(yīng)”。例如：導(dǎo)電的金屬在納米顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對(duì)納米顆粒在低溫條件下必須考慮量子尺寸效應(yīng)。

2024/2/2628隧道效應(yīng)：指微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力。宏觀量子隧道效應(yīng)：指微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等宏觀物理量具有貫穿勢(shì)壘的能力。

1.3.4宏觀量子隧道效應(yīng)（Macroquantumtunnelingeffect）2024/2/2629

量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如：在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無(wú)法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25μm。目前，研制的量子共振隧道晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。2024/2/2630§1-4納米材料的發(fā)展現(xiàn)狀

（Researchprogressofnanomaterials）1970’s

納米顆粒材料問(wèn)世1980’s中期在實(shí)驗(yàn)室合成了納米塊體材料1980’s末期開(kāi)始納米材料真正成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)2024/2/2631

從納米材料研究的內(nèi)涵和特點(diǎn)來(lái)看，納米材料的發(fā)展大致可劃分為三個(gè)階段：第一階段（1990年前）主要是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體（納米晶、納米相、納米非晶等），合成塊體（包括納米薄膜），研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對(duì)納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在1980’s末期一度形成熱潮。研究的對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這類納米材料稱“納米晶”或“納米相材料”。2024/2/2632第二階段（1994年前）人們關(guān)注的熱點(diǎn)，是如何利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。2024/2/2633第三階段（從1994年至今）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新熱點(diǎn)。國(guó)際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的組裝材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米線和納米管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。在這些體系中納米顆粒、納米線、納米管可以是有序或無(wú)序地排列。2024/2/2634

如果說(shuō)第一階段和第二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機(jī)性，那么第三階段研究的特點(diǎn)更強(qiáng)調(diào)人們的意愿設(shè)計(jì)、組裝、創(chuàng)造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛倫茲—伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表論文，指出納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題?？梢?jiàn)，納米結(jié)構(gòu)的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導(dǎo)方向。2024/2/2635§1-5納米粒子的制備方法

（Preparationofnanoparticles）

(1)物理方法（Physicalmethods）機(jī)械粉碎法（分為球磨、振動(dòng)球磨、振動(dòng)磨、攪拌磨、膠體磨、納米氣流粉碎氣流磨）蒸發(fā)凝聚法（分為金屬煙粒子結(jié)晶法、真空蒸發(fā)沉積法、氣體蒸發(fā)法）離子濺射法冷凍干燥法火花放電法2024/2/2636(2)化學(xué)方法（Chemicalmethods）氣相化學(xué)反應(yīng)法（分為氣相分解法、氣相合成法、氣-氣反應(yīng)法、氣-固反應(yīng)法、氣-液反應(yīng)法）沉淀法（分為直接沉淀法、共沉淀法、均相沉淀法、化合物沉淀法、水解沉淀法）水熱合成法噴霧熱解法（分為噴霧干燥法、噴霧焙燒法、噴霧燃燒法、噴霧水解法）溶膠-凝膠法2024/2/2637(3)綜合方法（Combinedmethods）激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)法等離子體加強(qiáng)氣相化學(xué)反應(yīng)法2024/2/26381.5.1物理方法（Physicalmethods

）

1.5.1.1機(jī)械粉碎法（Mechanicalpulverization）a、

機(jī)械粉碎法的工藝納米機(jī)械粉碎法是在傳統(tǒng)的機(jī)械粉碎技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。注意：這里的“粉碎”一詞是指固體物料粒子尺寸由大變小過(guò)程的總稱，包括“破碎”和“粉碎”。前者是由大料塊變成小料塊的過(guò)程，后者是由小料塊變成粉體的過(guò)程。固體物料粒子的粉碎過(guò)程，實(shí)際上就是在粉碎力的作用下固體料塊或粒子發(fā)生變形而斷裂的過(guò)程。當(dāng)粉碎力足夠大又很迅猛時(shí)，物料塊或粒子之間瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力，大大超過(guò)了物料的機(jī)械強(qiáng)度，因而物料發(fā)生了破碎。2024/2/2639

粉碎力作用的類型，主要有圖1-5所示的幾種。物料的基本粉碎方式有壓碎、剪碎、沖擊粉碎和磨碎。工業(yè)上采用的粉碎設(shè)備，雖然技術(shù)設(shè)備不同，但粉碎機(jī)制大同小異。一般的粉碎作用力者是這幾種力的組合，如球磨機(jī)和振動(dòng)磨是磨碎與沖擊粉碎的組合；雷蒙磨是壓碎、剪碎和磨碎的組合；氣流磨是沖擊、磨碎和剪碎的組合等等。2024/2/2640圖1-5粉碎作用力的作用形式2024/2/2641

物料粒子受到機(jī)械力作用而被粉碎，還會(huì)發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化，這種因機(jī)械載荷作用導(dǎo)致粒子晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的變化稱為機(jī)械化學(xué)。2024/2/2642

在納米粉碎加工過(guò)程中，由于粒子微細(xì)，會(huì)發(fā)生如下幾種變化，即：粒子結(jié)構(gòu)變化，如表面結(jié)構(gòu)自發(fā)地重組，形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)或重結(jié)晶；粒子表面物理化學(xué)性質(zhì)變化，如表面電性、物理與化學(xué)吸附、溶解性、分散與團(tuán)聚性質(zhì)；在局部受反復(fù)應(yīng)力作用區(qū)域產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，如由一種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)釋放出氣體、外來(lái)離子進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)中引起原物料中化學(xué)組成發(fā)生變化。2024/2/2643

理論上，固體粉碎的最小粒徑可達(dá)0.01-0.05μm。然而，目前因受機(jī)械粉碎設(shè)備與工藝的限制，很難達(dá)到這一理想值。此外，粉碎極限還取決于物料種類、機(jī)械應(yīng)力施加方式、粉碎方法、粉碎工藝條件、粉碎環(huán)境等因素。2024/2/2644幾種典型的納米粉碎技術(shù)

（Typicalnanopulverizationtechniques）球磨（Ballmilling）球磨機(jī)是目前廣泛采用的納米磨碎設(shè)備。它是利用介質(zhì)與物料之間的相互研磨和沖擊使物料粒子粉碎，經(jīng)幾百小時(shí)的球磨，可使小于1μm的粒子達(dá)到20%。振動(dòng)球磨（Vibratorymilling）它是以球或棒為介質(zhì)，介質(zhì)在粉碎室內(nèi)振動(dòng)，沖擊物料使其粉碎，可使粒徑小于2μm的粒子數(shù)目達(dá)到90%，甚至可獲得0.5μm的納米粒子。2024/2/2645振動(dòng)磨（Vibromilling）利用研磨介質(zhì)可以在一定振幅振動(dòng)的筒體內(nèi)對(duì)物料進(jìn)行沖擊、磨擦、剪切等作用而使物料粉碎。與球磨不同，振動(dòng)磨是通過(guò)介質(zhì)與物料一起振動(dòng)將物料進(jìn)行粉碎的。相應(yīng)納米粒子粒徑可達(dá)1μm以下。攪拌磨（Stirringmilling）攪拌磨由一個(gè)靜止的研磨筒和一個(gè)旋轉(zhuǎn)攪拌器構(gòu)成。在攪拌磨中，一般使用球形研磨介質(zhì)，獲得的粒子平均粒徑小于6mm；用于納米粉碎時(shí)，粒子平均粒徑一般小于1μm。2024/2/2646膠體磨（Colloidmilling）利用一對(duì)固體磨子和高速旋轉(zhuǎn)磨體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切、磨擦、沖擊等作用力來(lái)粉碎或分散物料粒子的。被處理的槳料通過(guò)兩磨體之間的微小間隙，被有效地粉碎、分散、乳化、微?；?。在短時(shí)間內(nèi)，經(jīng)處理的產(chǎn)品粒徑可達(dá)1μm。氣流粉碎（Comminutingbygasstream）這是一種較成熟的納米技術(shù)。它是利用高速氣流（300-500m/s）或熱蒸氣（300~500℃）的能量使粒子相互產(chǎn)生沖擊、碰撞、磨擦而被較快粉碎。產(chǎn)品粒徑極限可達(dá)0.1μm。2024/2/2647氣流粉碎2024/2/2648膠體磨2024/2/2649b、機(jī)械粉碎法的特點(diǎn)

通常制備的是納米晶粉末而不是納米粉末；對(duì)于金屬材料，高能球磨很容易磨成非晶態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低。缺點(diǎn)：通過(guò)機(jī)械粉碎法制備的納米粒子粒徑分布不均勻，且產(chǎn)品純度低。2024/2/26502024/2/26512024/2/26522024/2/26532024/2/26542024/2/26552024/2/26562024/2/2657儀器加寬2024/2/2658納米粉與球磨96小時(shí)粉末的XRD圖2024/2/2659

球磨粉與納米粉的鑲嵌尺寸分布2024/2/2660

球磨粉與納米粉的晶格畸變2024/2/2661

球磨粉的TEM圖像2024/2/2662納米粉TEM圖像2024/2/26631.5.1.2

蒸發(fā)凝聚法（VaporationandCondense）

蒸發(fā)凝聚法是制備納米粒子的一種早期物理方法，蒸發(fā)法所獲得的產(chǎn)品粒子一般在5nm~100nm之間。蒸發(fā)法是將納米粒子的原料加熱、蒸發(fā)，使之成為原子或分子；再使許多原子或分子凝聚，生成極微細(xì)的納米粒子。蒸發(fā)法制備納米粒子大體上可分為金屬煙粒子結(jié)晶法、真空蒸發(fā)沉積法、氣體蒸發(fā)法等幾類；按原料加熱蒸發(fā)技術(shù)手段不同，又可分電極蒸發(fā)、高頻感應(yīng)蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、等離子體蒸發(fā)、激光束蒸發(fā)等幾類。2024/2/2664(1)金屬煙粒子結(jié)晶法（又稱氣體蒸發(fā)法）（Evaporation）

金屬煙粒子結(jié)晶法是早期制備納米粒子的一種實(shí)驗(yàn)室方法。實(shí)驗(yàn)原理（如圖1-6所示）：先將金屬原料置于真空室電極處，然后將真空室抽真空（1Pa）并導(dǎo)入102-103Pa氬氣等惰性氣體，最后用鎢絲籃蒸發(fā)金屬。1-加熱電極;2-金屬煙柱;3-排氣;4-惰性氣體;5-真空表

圖1-6金屬煙粒子蒸發(fā)裝置2024/2/2665

利用金屬煙粒子結(jié)晶法，早期制備的金屬納米粒子有Mg、Al、Cr、Mn、Fe等15種。后來(lái)，還制備了各類合金、氧化物、碳化物等多種納米粒子。近年來(lái)，利用載氣抽真空技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粒子的收集，相應(yīng)的收集室和抽真空端設(shè)在金屬煙場(chǎng)的正上方，其制備原理如圖1-7所示。在這種改進(jìn)后的蒸發(fā)裝置上，成功地制備了Fe、Al、Cu、Fe-Ni-Co等一系列納米粒子，其典型的形貌如圖1-8所示。2024/2/2666圖1-8幾種典型金屬與合金的納米粒子形貌1-載氣;2-邊載氣;3-電極;4-4-電阻絲;5-原料;6-煙柱;7-水冷管;8-收集器;9-排氣管;10-制動(dòng)圖1-7改進(jìn)的金屬煙粒子蒸發(fā)裝置2024/2/2667(2)流動(dòng)油面上的真空蒸發(fā)沉積法

（Vacuumevaporationdepositionofoilsurface）a、VEDOS的制備原理如圖1-9所示，首先，在高真空下的蒸發(fā)使用電子束加熱，將原料加熱、蒸發(fā)，然后將上部的擋板打開(kāi)，讓蒸發(fā)物沉積在旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的下面，由該盤(pán)的中心向下表面供給的油在圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)的離心力作用下，沿下表面形成一層很薄的流動(dòng)油膜，并被甩到容器側(cè)壁上；然后，將物料在真空中連續(xù)地蒸發(fā)到流動(dòng)著的油面上，并把含有納米粒子的油回收到貯存器內(nèi)，最后經(jīng)過(guò)真空蒸餾、濃縮，從而在短時(shí)間內(nèi)可制備大量納米粒子。2024/2/26681-電子槍;2-水冷坩堝;3-排氣口;4-載粒油;5-擋板;6-轉(zhuǎn)盤(pán);7-電機(jī);8-儲(chǔ)油器圖1-9VEDOS蒸發(fā)法實(shí)驗(yàn)裝置2024/2/2669b、VEDOS的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：采用VEDOS法制備納米粒子，可得到平均粒徑小于10nm的各類金屬納米粒子，粒子分布窄，而且彼此相互獨(dú)立地分散于油介質(zhì)中，為大量制備納米粒子創(chuàng)造了條件。缺點(diǎn)：VEDOS法制備的納米粒子太細(xì)，從油中分離較困難。2024/2/2670

為了保證物料加熱所需的足夠能量，又要使物料蒸發(fā)后快速凝結(jié)，要求熱源溫度場(chǎng)分布空間范圍盡量窄、熱源附近的溫度梯度大，這樣才能獲得粒徑小、粒徑分布窄的納米粒子。從這一前題提出改建，人們改進(jìn)了電阻蒸發(fā)技術(shù)，研究了多種新技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)原料蒸發(fā)，如：等離子體加熱蒸發(fā)、電子束加熱蒸發(fā)、電弧放電加熱蒸發(fā)、高頻感應(yīng)電流加熱蒸發(fā)、太陽(yáng)爐加熱蒸發(fā)等。2024/2/2671(3)等離子體加熱蒸發(fā)法（Plasmaheating）a、等離子體加熱蒸發(fā)法的原理等離子體加熱蒸發(fā)是利用等離子體的高溫實(shí)現(xiàn)對(duì)原料的加熱蒸發(fā)。一般離子體焰流溫度高達(dá)2000K以上，存在著大量的高活性原子、離子。當(dāng)它們以100-500m/s的高速到達(dá)金屬或化合物表面時(shí)，可使其熔融并大量迅速地溶解于金屬熔體中，在金屬熔體內(nèi)形成溶解的超飽和區(qū)、過(guò)飽和區(qū)。這些原子、離子或分子與金屬熔體對(duì)流與擴(kuò)散使金屬蒸發(fā)。同時(shí)，原子或離子又重新結(jié)合成分子從金屬熔體表面溢出。蒸發(fā)出的金屬原子經(jīng)急冷后收集，即得到各類物質(zhì)的納米粒子。2024/2/2672

采用等離子體加熱蒸發(fā)法可制備出金屬、合金或金屬化合物納米粒子。其中：金屬或合金可以直接蒸發(fā)、急冷而形成原物質(zhì)的納米粒子，制備過(guò)程為純粹的物理過(guò)程；制備金屬化合物的納米粒子，一般需經(jīng)過(guò)金屬蒸發(fā)——化學(xué)反應(yīng)——急冷，最后形成金屬化合物納米粒子。2024/2/2673b、等離子體加熱蒸發(fā)法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：采用等離子體加熱蒸發(fā)制備納米粒子的產(chǎn)品收率大，特別適合制備高熔點(diǎn)的各類納米粒子。缺點(diǎn)：等離體噴射的射流容易將金屬熔融物質(zhì)本身吹飛，這是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)解決的技術(shù)難題。2024/2/2674(4)激光加熱蒸發(fā)法（Laserheating）a、激光加熱蒸發(fā)法的原理激光加熱蒸發(fā)法是采用CO2和YAG大功率激光器發(fā)射的大功率激光束直接照射各種靶材，通過(guò)原料對(duì)激光能量的有效吸收使物料蒸發(fā)，從而制備各類納米粒子。采用這種方法已制備了Fe、Ni、Cr、Ti、Si等納米粒子。2024/2/2675b、激光加熱蒸發(fā)法的優(yōu)點(diǎn)激光源可以獨(dú)立地設(shè)置在蒸發(fā)系統(tǒng)外部，可使激光器不受蒸發(fā)室的影響。物料通過(guò)對(duì)入射激光能量的吸收，可以迅速被加熱。激光束能量高度集中，周圍環(huán)境溫度梯度大，有利于納米粒子的快速凝聚，從而制備的納米粒子粒徑小、粒徑分布窄。適合于制備各類高熔點(diǎn)金屬和化合物的納米粒子。2024/2/2676(5)電子束加熱蒸發(fā)法（Electronbeamheating）a、電子束加熱蒸發(fā)法的原理在加有高速電壓的電子槍與蒸發(fā)室之間產(chǎn)生電壓差，使用電子透鏡聚焦電子束于待蒸發(fā)物質(zhì)表面，從而使物質(zhì)被加熱、蒸發(fā)、凝聚為細(xì)小的納米粒子。b、電子束加熱蒸發(fā)法的應(yīng)用用電子束作為加熱源可以獲得很高的能量密度，特別適合于用來(lái)蒸發(fā)W、Ta、Pt等高熔點(diǎn)金屬，制備出相應(yīng)的金屬、氧化物、碳化物、氮化物等納米粒子。2024/2/2677(6)電弧放電加熱法（Arcdischargeheating）a、電弧放電加熱法的原理以兩塊塊狀金屬作為電極，使之產(chǎn)生電弧，從而使兩塊金屬的表面熔融、蒸發(fā)，產(chǎn)生相應(yīng)的納米粒子。b、電弧放電加熱法的應(yīng)用特別適合于制備Al2O3一類的金屬氧化物粒子，因?yàn)閷⒁欢ū壤难鯕饣煊诙栊詺怏w中更有利于電極之間形成電弧。2024/2/2678(7)高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)法（Highfrequencyinductionheating）a、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)法的原理利用高頻感應(yīng)的強(qiáng)電流產(chǎn)生的熱量使金屬物料被加熱、熔解，再蒸發(fā)而得到相應(yīng)的納米粒子。b、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)法的應(yīng)用采用高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)法可以制備各種金屬、合金納米粒子，而且生成的納米粒子比較均勻、產(chǎn)量大、便于工業(yè)化生產(chǎn)。2024/2/2679(8)太陽(yáng)能加熱法（Heatingbysolar）a、太陽(yáng)能加熱法的原理太陽(yáng)能加熱法是利用太陽(yáng)光，通過(guò)大口徑窗口將陽(yáng)光聚焦于待蒸發(fā)的物料表面上而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料加熱、蒸發(fā)制備各類納米粒子。b、太陽(yáng)能加熱法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能。2024/2/26801.5.1.3離子濺射法（Ionsputtering）a、離子濺射法的基本原理如圖1-10所示，將兩塊金屬極板平行放置在Ar氣中（低壓，壓力約為40-250Pa），一塊為陽(yáng)極、另一板為陰極靶材，在兩極之間加上數(shù)百伏的直流電，使其產(chǎn)生輝光放電，兩極板間輝光放電中的離子撞擊在陰極上，靶材中的原子就會(huì)由其表面蒸發(fā)出來(lái)。調(diào)節(jié)放電電流、電壓以及氣體的壓力，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粒子生成各因素的控制。b、離子濺射法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：靶材蒸發(fā)面積大，粒子生產(chǎn)率高，制備的納米粒子均勻、粒度分布窄，適合于制備高熔點(diǎn)金屬型納米粒子。2024/2/26811-Al陽(yáng)極;2-靶陰極(物料);3-直流電源圖1-10離子濺射法的原理圖2024/2/26821.5.1.4冷凍干燥法（Freeze-drying）

冷凍干燥法的基本原理先使干燥的溶液噴霧在冷凍劑中冷凍，然后在低溫低壓下真空干燥，將溶劑升華除去，就可得到相應(yīng)物質(zhì)的納米粒子。如果從水溶液制備出納米粒子，凍結(jié)后將深滲劑升華除去，可直接制備納米粒子；如果從熔融鹽出發(fā)，凍結(jié)后需要進(jìn)行熱分解，最后得到相應(yīng)的納米粒子。2024/2/26831.5.1.5火花放電法（Sparkdischarge）火花放電法的原理利用電極與被加工物之間穩(wěn)定的火花放電，可連續(xù)不斷地生成金屬納米粒子。2024/2/26841.5.2化學(xué)方法（chemicalmethods）

1.5.2.1氣相化學(xué)反應(yīng)法（Chemicalvapordeposition）

a、氣相化學(xué)反應(yīng)法制備納米粒子的基本原理先將揮發(fā)性的金屬化合物進(jìn)行加熱（如：電阻爐加熱、化學(xué)火焰加熱、等離子體加熱、激光誘導(dǎo)、γ射線輻照）制備其蒸氣，然后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成所需要的化合物，并在保護(hù)氣體環(huán)境下快速冷凝，從而制備各類物質(zhì)的納米粒子。b、氣相化學(xué)反應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)適合于制備各類金屬、金屬化合物以及非金屬化合物的納米粒子。粒子均勻、純度高、粒徑分布窄、粒度小、分散性好、化學(xué)反應(yīng)性與活性高。2024/2/2685

c、氣相化學(xué)反應(yīng)法的分類按體系反應(yīng)類型分類氣相分解法

氣相合成法按反應(yīng)前原料物態(tài)分類氣-氣反應(yīng)法氣-固反應(yīng)法氣-液反應(yīng)法2024/2/2686(1)氣相分解法（又稱單一化合物熱分解法）

（Vapordecomposition）a、氣相分解法的原理氣相分解法是將待分解的化合物或經(jīng)前期預(yù)處理的中間化合物進(jìn)行加熱、蒸發(fā)、分解，得到目標(biāo)物質(zhì)的納米粒子。氣相分解制備納米粒子要求原料中必須含有制備目標(biāo)納米粒子物質(zhì)的全部所需元素的化合物。熱分解一般具有反應(yīng)形式

A(氣)→B(固)+C(氣)↑

氣相熱分解的原料通常是容易揮發(fā)、蒸氣壓高、反應(yīng)性好的有機(jī)硅、金屬氯化物或其它化合物。b、氣相分解法的應(yīng)用運(yùn)用Fe(CO)5、SiH4、Si(NH)2、(CH3)4Si、Si(OH)4等原料可制備Fe、Si、Si3N4、SiC、SiO2等納米粒子。2024/2/2687(2)氣相合成法（Vapoursynthesis）氣相合成法的原理氣相合成法通常是利用兩種以上物質(zhì)之間的氣相化學(xué)反應(yīng)，在高溫下合成出相應(yīng)的化合物，再經(jīng)快速冷凝，從而制備各類物質(zhì)的納米粒子。利用氣相合成法可以進(jìn)行多種納米粒子的合成，具有靈活性和互換性，其反應(yīng)形式可用下式表示A(氣)+B(氣)→C(固)+D(氣)↑

依靠氣相化學(xué)反應(yīng)合成法合成納米粒子，是由于氣相下均勻形核及核長(zhǎng)大而產(chǎn)生的，反應(yīng)氣要有較高的過(guò)飽和度，反應(yīng)體系要有較大的平衡常數(shù)。2024/2/26882024/2/2689圖1-11氣相化學(xué)反應(yīng)法制備的Si3N4、SiC、Fe/N納米粒子的形貌2024/2/2690(3)氣-固反應(yīng)法（Gas-solidreaction）

氣-固反應(yīng)法也常被用來(lái)制備Si3N4、SiC、AlN和Sialon等納米粒子。采用氣-固反應(yīng)法制備納米粒子時(shí)，通常要求相應(yīng)的起始固相原料為納米顆粒，并合成了非氧化物納米粒子和非氧化物-氧化物復(fù)合納米粒子。

2024/2/2691圖1-12氣-固化學(xué)反應(yīng)法合成的γ′-Fe4N納米粒子形貌2024/2/26921.5.2.2沉淀法（Precipitation）

沉淀法通常是在溶液狀態(tài)下將不同化學(xué)成分的物質(zhì)混合，在混合溶液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯┲苽浼{米粒子的前驅(qū)體沉淀物，再將此沉淀物進(jìn)行干燥或煅燒，從而制得相應(yīng)的納米粒子。例如：利用金屬鹽或氫氧化物的溶解度，調(diào)節(jié)溶液酸度、溫度、溶液劑，使其沉淀，然后對(duì)沉淀物進(jìn)行洗滌、干燥、加熱處理制成相應(yīng)的納米粒子。溶液中的沉淀物可以通過(guò)過(guò)濾與溶液分離獲得。一般納米粒子在1μm左右時(shí)就可以發(fā)生沉淀，從而產(chǎn)生沉淀物，生成粒子的粒徑通常取決于沉淀物的溶解度，沉淀物的溶解度越小，相應(yīng)粒子粒徑也越小。2024/2/2693

沉淀法制備納米粒子又可分為以下幾類：直接沉淀法（Directprecipitation）共沉淀法（Co-precipitation）均相沉淀法（Uniformprecipitation）化合物沉淀法（Compoundprecipitation）水解沉淀法（Hydrolysisprecipitation）下面僅列出幾種代表性方法來(lái)說(shuō)明沉淀法的基本原理。2024/2/2694(1)共沉淀法（Co-precipitation）

共沉淀法，通常將氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、草酸鹽等物質(zhì)配成共沉淀溶液，使溶液中各種陰離子實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的混合，溶液中的金屬陽(yáng)離子隨pH值的上升，按照滿足沉淀?xiàng)l件的順序依次沉淀，形成一種或幾種金屬離子構(gòu)成的沉淀混合物。實(shí)質(zhì)上，共沉淀法還是一種分別沉淀，其沉淀物是一種混合物。2024/2/2695(2)水解沉淀法（Hydrolysis-precipitation）

對(duì)許多化合物可采用水解生成相應(yīng)的沉淀物，用來(lái)制備納米粒子。一般是利用氫氧化物、水合物、原料的水解反應(yīng)對(duì)象是金屬鹽和水。配制水溶液的原料是各類無(wú)機(jī)鹽，如：氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽、金屬醇鹽等。

無(wú)機(jī)鹽水解沉淀法的原理是：通過(guò)配制無(wú)機(jī)鹽的水合物，控制其水解條件，合成單分散性的球、立方體等形狀的納米粒子。這種方法目前正廣泛地應(yīng)用于各類新材料的合成，如：能夠?qū)︹侞}溶液的水解使其沉淀，合成了球狀的單分散形態(tài)的TiO2納米粒子。

金屬醇鹽水解沉淀法的原理是：金屬醇鹽(是一種有機(jī)金屬化合物)與水反應(yīng)，可生成氧化物、氫氧化物、水合物的沉淀，最后通過(guò)干燥制得相應(yīng)的各類氧化物陶瓷納米粒子。2024/2/26961.5.2.3水熱合成法（Hydro-thermalsynthensis）

水熱合成法是從液相中制備納米粒子的一種新方法。一般是在100℃~350℃溫度下和高氣壓環(huán)境下使無(wú)機(jī)或有機(jī)化合物與水化合，通過(guò)對(duì)滲析反應(yīng)和物理過(guò)程的控制，得到改進(jìn)的無(wú)機(jī)物，再過(guò)濾、洗滌、干燥，從而得到高純的各類納米粒子。2024/2/26972024/2/26982024/2/26991.5.2.4噴霧熱解法（Spraypyrolysis）a、噴霧熱解法的原理將含所需陽(yáng)離子的某種金屬鹽的溶液噴成霧狀，送入加熱設(shè)備的反應(yīng)室內(nèi)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成微細(xì)的粉末粒子。一般情況下，金屬鹽的溶劑中需加入可燃性溶劑，利用其燃燒熱分解金屬鹽。噴霧熱解法制備納米粒子的主要過(guò)程包括溶液配制、噴霧、反應(yīng)、收集四個(gè)環(huán)節(jié)。從這個(gè)意義上講，常有人將噴霧熱解法歸為物理方法。根據(jù)噴霧液滴熱處理的方式不同，可以將噴霧熱解法分為噴霧干燥、噴霧焙燒、噴霧燃燒、噴霧水解四種。2024/2/261002024/2/26101

噴霧熱解法屬于氣-液反應(yīng)一類的方法，因?yàn)槠湓现苽溥^(guò)程是液相法，而其部分化學(xué)反應(yīng)又是氣相法，因此，該方法集中了氣相法、液相法兩者的優(yōu)點(diǎn)。

b、噴霧熱解法的優(yōu)點(diǎn)可以方便地制備多種組元的復(fù)合粉末粒子；粒子分布均勻；粒子形狀好，一般呈理想球狀；制備過(guò)程簡(jiǎn)單，從配制溶液到粒子形成，幾乎是一步到位。2024/2/26102ZnO2γ-Fe2O3圖1-13噴霧熱解法制備的ZnO2與γ-Fe2O3粒子形貌2024/2/261031.5.2.5溶膠-凝膠法（Sol-gel）

溶膠-凝膠法是制備納米粒子的一種濕化學(xué)方法。它的基本原理：以液體的化學(xué)試劑配制成金屬無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽前驅(qū)物，前驅(qū)物溶于溶劑中形成均勻溶液，溶質(zhì)與溶劑發(fā)生水解或醇解反應(yīng)，生成物經(jīng)聚集后，一般生成1nm左右的粒子并形成溶膠。通常要求反應(yīng)物在液相下均勻混合，均勻反應(yīng)，反應(yīng)生成物是穩(wěn)定的溶膠體系，在這段反應(yīng)過(guò)程中不應(yīng)該有沉淀發(fā)生。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間放置或干燥處理溶膠會(huì)轉(zhuǎn)化為凝膠。2024/2/26104圖1-14溶膠、凝膠與沉淀物的區(qū)別2024/2/261051.5.3綜合方法（Combinedmethods）

1.5.3.1激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)法

（Laserinducedchemicalvapordeposition）

利用激光引發(fā)、活化反應(yīng)物體系，從而制備高質(zhì)量物質(zhì)的納米粒子的工作源于美國(guó)。1978年，W.R.Cannon和J.S.Haggerty等人提出了用激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)合成硅系納米粒子的實(shí)驗(yàn)方法，獲得了Si、Si3N4、SiC等納米粒子。2024/2/26106激光法與普通電阻爐加熱法制備納米粒子的本質(zhì)區(qū)別由于反應(yīng)器壁是冷的，因此無(wú)潛在污染；原料氣體分子直接或間接吸收激光光子能量后迅速進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)具有選擇性；反應(yīng)區(qū)條件可以精確地控制；激光能量高度集中，反應(yīng)區(qū)與周圍環(huán)境之間溫度梯度大，有利于成核粒子快速凝結(jié)；由于具有上述優(yōu)勢(shì)，采用激光法可以制備均勻、高純、超細(xì)、粒度分布窄的各類納米粒子。2024/2/26107a、激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)法合成納米粒子的原理

利用大功率激光器的激光束照射于反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體通過(guò)對(duì)入射激光光子的強(qiáng)吸收，氣體分子或原子在瞬間得到加熱、活化，在極短時(shí)間內(nèi)反應(yīng)氣體分子或原子獲得化學(xué)反應(yīng)所需的溫度后，迅速完成化學(xué)反應(yīng)、形核、凝聚、生成等過(guò)程，從而制得相應(yīng)物質(zhì)的納米粒子。因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，激光法就是利用激光光子能量加熱反應(yīng)體系，從而制備出納米粒子的一種方法。

圖1-15是激光法合成納米粒子的原理示意圖。2024/2/261081-反應(yīng)氣;2-保護(hù)氣;3-激光束;4-反應(yīng)區(qū);5-反應(yīng)焰;6-冷壁;7-收集室入口圖1-15激光法合成納米粒子的原理示意圖2024/2/26109

在激光法中，為了保證化學(xué)反應(yīng)所需要的能量，需要選擇對(duì)入射激光具有強(qiáng)吸收的反應(yīng)氣體，如SiH4、C2H4、NH3對(duì)CO2激光光子都具有較強(qiáng)的吸收能力；為了保證反應(yīng)生成的核粒子快速凝固，獲得超細(xì)的粒子，需要采用冷壁反應(yīng)室，通常采用的是水冷室反應(yīng)器壁和透明輻射式反應(yīng)器壁。2024/2/26110(2)激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)法合成納米粒子的過(guò)程

激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)法合成納米粒子，首先要根據(jù)反應(yīng)需要調(diào)節(jié)激光器的輸出功率、調(diào)整激光光束半徑以及經(jīng)過(guò)聚焦后的光斑尺寸，并預(yù)先調(diào)整好激光束光斑反應(yīng)區(qū)域中的最佳位置。其次，要作好反應(yīng)室凈化處理，即進(jìn)行抽真空準(zhǔn)備，同時(shí)充入高純惰性保護(hù)氣體，以保證反應(yīng)能在清潔的環(huán)境中進(jìn)行。激光法合成納米粒子的主要過(guò)程包括原料處理、原料蒸發(fā)、反應(yīng)氣配制、成核與生長(zhǎng)、抽集等過(guò)程。2024/2/26111

原料純化處理激光法合成納米粒子的主要原料是各類反應(yīng)氣，此外還包括惰性保護(hù)氣體和載氣，這些氣體中通常都含有微量的雜質(zhì)氧和吸附水，這些雜質(zhì)在合成反應(yīng)發(fā)生前應(yīng)去除，否則會(huì)混雜于產(chǎn)品中，或影響合成反應(yīng)進(jìn)行。為了提高反應(yīng)氣體的利用率，從而提高反應(yīng)收率，合成反應(yīng)前要對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行預(yù)混合和預(yù)熱處理。2024/2/26112(3)激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)法合成納米粒子機(jī)制描述

激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)法合成納米粒子的機(jī)制就在于反應(yīng)氣體對(duì)照射激光光子具有選擇吸收性。反應(yīng)氣體分子吸收激光光子后將通過(guò)兩種物理圖像得到加熱：氣體分子吸收單光子或多光子而得到加熱；氣體分子吸收光子能量后平均平動(dòng)動(dòng)能提高，與其它氣體分子碰撞發(fā)生能量交換或轉(zhuǎn)移，即通過(guò)碰撞加熱反應(yīng)體系。根據(jù)氣體反應(yīng)的物理化學(xué)過(guò)程，可以將反應(yīng)成核過(guò)程分為能量吸收、能量轉(zhuǎn)移、反應(yīng)、失活等過(guò)程。2024/2/261131.5.3.2等離子體加強(qiáng)氣相化學(xué)反應(yīng)法

（Plasmaenhancedchemicalvapordeposition）

(1)等離子體的概念等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，它由電離的導(dǎo)電氣體組成，其中包括六種典型的粒子，即電子、正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子以及光子。事實(shí)上，等離子體就是由上述大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成的，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體。目前，產(chǎn)生等離子體的技術(shù)很多，如直流電弧等離子體、射頻等離子體、混合等離子體、微波等離子體等。按等離子體