[發(fā)明專利]一種離子濺蝕在金屬表面制備孔徑可控納米多孔的方法

在審

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• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107460485A
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發(fā)明（設計）人: 萬浩;司乃潮;劉光磊;葛俊杰;倪凱
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23F4/00
• 分類號: C23F4/00;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明屬于先進納米結構制備技術領域，特別涉及一種離子濺蝕在金屬表面制備孔徑可控納米多孔的方法。

背景技術

納米多孔金屬是一種具有納米量級尺寸孔徑的多孔材料，具有具有納米材料的一些特殊物理、化學及力學性能。而且，相對于傳統(tǒng)的多孔金屬材料，納米多孔金屬材料還具有高比表面積、良好的導電、高度活性、穩(wěn)定性、可調(diào)控性和生物相容性等特點。這就使得納米多孔金屬材料在催化、傳感器、光學、電化學驅(qū)動、能量存儲、熱交換和生物檢測等領域都有著巨大的應用前景。

目前，用于制備納米多孔金屬材料的方法，主要有去合金化法和模板法。去合金化法制備納米多孔金屬材料，其基本原理是利用不同金屬之間的不同化學勢，將合金中較活撥的一種或多種組分去除，余下的組分通過擴散，聚集等方式在反應界面自發(fā)形成一種具有三維雙連續(xù)的多孔網(wǎng)絡狀結構。然而，使用去合金化法制備納米多孔金屬時，合金中被腐蝕的較活潑金屬與形成韌帶的較穩(wěn)定金屬間需形成均勻的固溶體或者金屬間化合物。且兩者的比例不能相差太多，并滿足一定的電勢差(幾百毫伏)，以便將較活潑的金屬腐蝕分離。此外，還需要較穩(wěn)定金屬在固液界面具有一定的擴散系數(shù)。

模板法是指利用具有納米多孔結構的材料作為模板制備納米多孔材料的方法。常用的模板有陽極氧化鋁(AAO)模板、聚碳酸酯(PC)模板、蛋白石/反蛋白石結構模板和氣泡模板等。不過，模板法制備的孔結構會受到模板結構的限制，其工藝復雜、成本高、并不適合批量生產(chǎn)、且容易受到制備過程中殘留模板的污染等缺點。

離子輻照技術是一種精確控制材料表面和界面特性的方法。其技術原理是將離子源產(chǎn)生的離子加速后高速射向材料表面，并在與金屬表層原子的碰撞過程中使一部分原子發(fā)射濺射脫離金屬，進而刻蝕金屬表面形成特定的納米結構。相對于去合金化法和模板法而言，離子束刻蝕法不受基體金屬固溶度的影響，具有加工精度高、化學上純凈、操作簡單、工藝可控等優(yōu)點。基于此，本發(fā)明開發(fā)出一種使用離子濺蝕在金屬表面制備孔徑可控納米多孔的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明開發(fā)出一種離子濺蝕在金屬表面制備孔徑可控納米多孔的工藝方法，其特征為按按照如下步驟進行：

將清洗過的金屬件固定于靶盤上并放入對配有離子束輻照系統(tǒng)的真空腔中，抽真空使其真空度達到10^-4Pa級；對金屬件表面進行離子束輻照處理，離子束與金屬面間入射角的選取范圍為80°-90°，離子束加速電壓的選取范圍為1keV-100keV，束流大小的選取范圍為100mA-50μA，離子輻照劑量的選取范圍為10¹⁴-10¹⁸cm^-2；使用離子束順次掃過待制備納米多孔結構的金屬表面，并通過控制離子束的輻照劑量來實現(xiàn)合金表面不同孔徑納米多孔的制備。

所述清洗是指將金屬件的拋光面朝上放于裝有丙酮的燒杯中，進行超聲清洗30分鐘，隨后取出再放于另一裝有丙酮的燒杯中再次超聲清洗20分鐘以上，取出吹干備用。

所述金屬件拋光是通過砂紙打磨和機械拋光使待離子輻照金屬表面粗糙度低于0.05μm。

優(yōu)選的：離子束與金屬面間入射角的選擇范圍為84°-89°。

優(yōu)選的：離子束加速電壓的選擇范圍為20keV-80keV。

優(yōu)選的：離子束束流大小的選擇范圍為1μA-30μA。

優(yōu)選的：離子輻照劑量的選擇范圍為10¹⁵-10¹⁶cm^-2。

優(yōu)選的：離子束主要是包括H⁺、He⁺、Ar⁺在內(nèi)的輕離子束。

本發(fā)明在金屬表面制備納米多孔結構的原理是利用入射高能離子對金屬表面的濺射刻蝕作用，通過控制入射離子使之與金屬表面呈特定角度(80°-90°)進行輻照來使金屬面出現(xiàn)較圓整的納米孔，通過控制離子輻照的劑量來調(diào)節(jié)金屬表面所形成納米孔的大小。

本發(fā)明在金屬表面制備的納米多孔結構具有如下特征和優(yōu)點：

本發(fā)明所制備納米孔的邊界比較圓整，分布比較均勻，納米孔的孔徑可以根據(jù)實際需要通過控制離子輻照劑量來進行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明中所述納米孔的圓整程度與輻照離子的入射角有直接關系，入射角越大，所形成的納米孔越圓整。

本發(fā)明中所述納米孔的孔徑與離子輻照的劑量成正比關系，輻照劑量越大，納米孔的直徑越大。