[發(fā)明專利]一種一維金屬氧化物納米材料的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110204453.2
• 申請日: 2011-07-21
• 公開（公告）號: CN102259932A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉仲武;鐘明龍;邱萬奇;鐘喜春;余紅雅;曾德長
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學
• 主分類號: C01G49/02
• 分類號: C01G49/02;C01G51/04;C01G3/02;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 宮愛鵬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及低維納米材料的制備方法，特別涉及過渡金屬氧化物納米線、納米帶、納米片的制備方法。

背景技術(shù)

電子技術(shù)的發(fā)展趨勢要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷，而對目前硅集成電路而言，當其再進一步發(fā)展到線寬小于100nm，即“納米電子器件”時，對設(shè)備和制造工藝將提出更高的要求，成本增加巨大，傳統(tǒng)工藝的局限性越來越明顯，為此，全世界都將下一代納米電子器件的研究目光投向了低維納米材料。低維納米材料由于具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等，其磁、光、電、力、化學以及熱性質(zhì)與塊體材料發(fā)生明顯的改變。尤其是具有一維納米結(jié)構(gòu)的納米線、納米帶、納米片和納米管等納米材料，因獨特的結(jié)構(gòu)和一系列優(yōu)異的特性，使它們在微電機系統(tǒng)、太陽能轉(zhuǎn)換、儲氫、氣體傳感、催化劑、信息存儲與顯示以及場發(fā)射等領(lǐng)域具有廣泛而重要的應(yīng)用。

過渡金屬氧化物種類繁多，如CuO、ZnO、Fe₂O₃、Co₃O₄、Ga₂O₃等，具有半導(dǎo)體能帶的性質(zhì)，且其金屬組分多數(shù)可表現(xiàn)出變價的特性，可形成多樣的結(jié)構(gòu)，所形成的半導(dǎo)體金屬氧化物在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)。為此，基于一維氧化物納米材料的“納米電子器件”具有不可替代的優(yōu)點：在應(yīng)用環(huán)境中不易氧化、尺寸微小(納米量級)、功耗小、反映靈敏等宏觀器件完全不具有的獨特優(yōu)勢。

目前已經(jīng)發(fā)展了許多工藝制備金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)，包括有機輔助合成、碳熱還原工藝、氣-液-固(VLS)工藝和氣-固(VS)工藝等。這些方法中，VLS和VS工藝比較適合制備單晶納米結(jié)構(gòu)和相對大的數(shù)量。例如Ga₂O₃和ZnO納米線可以通過管式爐加熱這些材料粉末合成；低熔點金屬如Zn、Mg和Ge的氧化物納米線可以通過在氧氣氣氛下加熱金屬粉末獲得。常規(guī)的VS和VLS工藝要求精確控制制備條件，如要求高的溫度(≥1000℃)來產(chǎn)生氣態(tài)金屬，還要控制生長氣氛、流率和基板位置；對于VLS工藝，還要采用合適的催化劑，因而獲得的納米材料的性能可能受引入的催化劑的影響。雖然納米結(jié)構(gòu)氧化物材料的制備很大進展，但還存在一些問題：1)在大多數(shù)情況下，制備大范圍的納米材料仍有一定困難，如何利用簡單的工藝制備在分米、厘米甚至毫米數(shù)量級尺度范圍內(nèi)均勻分布的納米材料顯然仍是一個挑戰(zhàn)；2)材料的制備工藝通常也相對復(fù)雜，需要很好的制備和控制設(shè)備；3)制備工藝的穩(wěn)定性還有待進一步改善。由于納米材料的產(chǎn)生是非常復(fù)雜的物理的化學的、甚至生物的過程，其性質(zhì)很大程度上取決于這些產(chǎn)生或制備過程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能大量生產(chǎn)、快速生長、無需催化劑、適用的材料范圍廣、低的生長溫度和低成本的合成工藝。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種一維金屬氧化物納米材料的制備方法，采用普通電熱板在空氣氣氛下通過加熱金屬源使其與空氣中的氧氣反應(yīng)并在金屬源表面生成一維金屬氧化物納米材料陣列。具體工藝步驟如下：

(1)將過渡金屬源置于電熱板加熱區(qū)；

(2)開啟電熱板升溫至200～600℃，然后保溫時間1～96h；

(3)關(guān)閉電源，隨電熱板冷卻至室溫，此時金屬源表面的氧化物即為目的產(chǎn)物。

優(yōu)選地，步驟(1)中所述過渡金屬源為鐵、鈷、銅、鋅或錳。

優(yōu)選地，步驟(1)中所述過渡金屬源的形狀為箔片、塊體、粉末或沉積的金屬薄膜，面積大小任意。

優(yōu)選地，步驟(2)中所述溫度為400℃。

優(yōu)選地，步驟(2)中所述時間為24h。

本發(fā)明工藝中一維金屬氧化物納米材料的生長過程如圖1所示分兩個步驟：i)表面多層不同氧化物的形成。在空氣氣氛中的氧氣把金屬表面表面先氧化生成疏松的金屬氧化物混合物，隨著時間延長逐漸形成表面為依次為高價態(tài)金屬氧化物以及相應(yīng)的低價態(tài)金屬氧化物層；ii)一維金屬納米結(jié)構(gòu)的生長。內(nèi)層金屬原子通過最外層的氧化層的體相晶格和晶粒的邊界或缺陷擴散至外表面，當表面的金屬氧化物達到過飽和狀態(tài)時，此時金屬原子與空氣中的氧接觸逐漸形核，隨著長時間溫度的作用下內(nèi)層不斷擴散至表面的金屬原子與空氣中氧原子反應(yīng)，將最終在所需能量最低方向生長成金屬氧化物納米材料。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點和效果：

(1)本發(fā)明制備的金屬氧化物納米材料結(jié)晶性能良好。

(2)本發(fā)明制備溫度低，200℃即可獲得。

(3)本發(fā)明適用于大面積制備，產(chǎn)率高。