VLS法制備一維納米材料.ppt

1、用VLS機(jī)理 制備一維納米材料,報告人: 岳廣兵 制作者：李杰、何肖麗、 王家治、岳廣兵、陳本松,一 氣-液-固（ V-L-S ）機(jī)理概述： 二十世紀(jì)六十年代，Shyne和Milewesk提出了晶須生長的VLS機(jī)理,并首先由Vagner和Ellis用于合成了SiC晶須。 之后,人們用此機(jī)理合成了各種各樣的晶須.隨著納米尺度材料研究的興起,人們又開始用這種機(jī)理來合成一維納米材料. 現(xiàn)在這種方法已被廣泛用來制備各種無機(jī)材料的納米線，包括元素半導(dǎo)體（Si、Ge），-V族半導(dǎo)體（GaN、GaAs、InAs等），-V族半導(dǎo)體（ZnS、ZnSe、CdS、CdSe），氧化物（ZnO、氧化鎵、二氧化硅）等 V

2、-L-S法是一維納米材料制備中最主要的機(jī)理之一。,二 生長機(jī)理： 在適當(dāng)溫度下，催化劑納米團(tuán)簇與生長材料的組元互溶形成納米級共溶液滴。 共熔液滴持續(xù)吸入生長材料的組元蒸氣，以至達(dá)到過飽和，促成了生長材料的晶體晶核在液滴上生成。 蒸氣繼續(xù)被吸入，晶體在已生成的固液界面處不斷析出，推動固液界面移動，從而長出一維納米材料,用VLS機(jī)理制備Ge納米線示意圖, 形成納米級共溶液滴, 成核過程 軸向生長,Au催化作用下Ge納米線生長的原位TEM像,Au-Ge二元系相圖,制備特點(diǎn) 1 催化劑納米團(tuán)簇的尺寸在很大程度上決定了所生長一維納米材料的直徑 2 可利用相圖選擇適宜的催化劑，制備溫度所處范圍 也可根據(jù)相

3、圖來確定,四 常用的催化劑與可制備的材料,Au：Si、Ge元素納米線，ZnO、氧化鎵等氧化物納米線， CdS、ZnS納米線 Fe：Si 、Ge元素納米線，SiC 納米線、 GaN納米線 Ni: Si納米線、GaN納米線,五 制備中的兩個重要問題,B 如何提供出所需的蒸氣？,A 如何得到納米級的催化劑團(tuán)簇？,A1 溶液干燥法： 氯金酸 + 檸檬酸鈉 Au納米顆粒溶液 將溶液滴至基底上、干燥、反復(fù)數(shù)次,A2 模板限域法：交流電化學(xué)沉積法在氧化鋁模板底部引入金納米顆粒 在貫通的氧化鋁模板一面噴一層金膜 溶膠凝膠法制備包含氧化鐵納米顆粒的氧化硅介孔體系，還原氧化鐵的Fe納米顆粒,A3 蒸鍍法：將金屬催

4、化劑納米級薄膜蒸鍍在基體上，薄 膜自組織 蒸鍍Au薄膜在GaAs基體上，可形成大量的 納米級的Au-As合金液滴 制備Zn0納米線時，將Au薄膜蒸鍍在藍(lán)寶石襯底上，形成納米級的Au-Zn合金液滴,A4 高溫快速加熱法：激光燒蝕Si-Fe目標(biāo)靶，產(chǎn)生蒸氣，迅 速濃縮成液態(tài)納米團(tuán)簇,B1 激光燒蝕：用含少量的Au、Fe或Ni的硅粉作為靶，以Ar氣作為保護(hù)氣體，在石英管內(nèi)，在一定溫度下激光燒蝕即可制得Si納米線 以 為靶材，可制備出Ge 納米線,激光燒蝕可形成直徑僅幾個納米的液態(tài)催化劑團(tuán)簇，這種制備技術(shù)具有一定的普適性,B2 熱蒸發(fā)：蒸發(fā)金屬Zn粉，通過氣相傳輸在鍍有Au膜的Si襯底上得到ZnO納米

5、線 高溫加熱CdS或ZnS納米粉，通過氣相傳輸在鍍有Au膜的Si襯底上得到CdS或ZnS納米線,B3 化學(xué)氣相沉積：以硅烷為硅源 ，以Au或Fe或Ni或 AuPd為催化劑，制備Si納米線,B4 化學(xué)氣相傳輸：,Y.Wu等利用化學(xué)氣相傳輸法和VLS生長機(jī)制生,六 兩個實(shí)例,(一) 用VLS機(jī)理制備一維ZnO納米線,(二) 用VLS機(jī)理制備一維SiC納米線,Zn0納米線的制備,方法一：熱蒸發(fā)ZnO和石墨的混合物，通過氣相傳輸在鍍有Au催化劑的硅襯底上得到氧化鋅納米線,方法二：以納米Au粒為催化劑，加熱蒸發(fā)Zn粉，同時通入含少量氧氣的氬氣,（一）Zn從Zn-Au合金液滴中析出 （二）析出的Zn在高溫

6、下被氧化成ZnO ，形成氧化鋅納米線,SiC納米線的制備,（一）制備氧化硅凝膠包含氧化鐵納米顆粒的預(yù)制復(fù)合體,（二）與一定量的石墨粉混合，使C/Si成分比為4：1,（三）500度下通入氫氣，還原氧化鐵得到鐵納米顆粒,（四）持續(xù)通入Ar氣，迅速加熱到1400度,七 有關(guān)生長終止的問題,一 溫度降低，合金液滴凝固成固體顆粒，反應(yīng)終止,二 隨著原料的消耗，生長材料組元的蒸氣濃度降低，導(dǎo)致合金液滴中的過飽和度降低，相變驅(qū)動力不足，反應(yīng)終止。,三 隨著結(jié)晶反應(yīng)的進(jìn)行,雜質(zhì)在生長點(diǎn)不斷聚集使得生長受阻,八 用VLS機(jī)理所得納米線的形貌特征,納米線頂端留有含有催化劑成分的球形顆粒,GaN納米線,Si納米線,通常，納米線的頂端會留有球形顆粒，但是也可能出現(xiàn)有的納米線上沒有球形顆?；蛑虚g有的情況，甚至有的會發(fā)生分支生長或非直線生長。這與生長條件（溫度、濃度等）的波動有關(guān),九 在運(yùn)用VLS制備納米線時,怎樣實(shí)現(xiàn)對納米線直徑的有效控制并同時保證其均勻性?,(一) 嚴(yán)格保持納米線生長條件(溫