一種釐米級長度的金納米線陣列的製備方法與流程

2023-06-10 05:43:21 1

本發明涉及一種釐米級長度的金納米線陣列的製備方法，屬於先進納米功能材料製備工藝領域。
背景技術：
：金屬納米材料由於很好地集合了納米材料及金屬本身的特性，具有優異的光學、電學、力學、熱學及催化性質，尤其是金屬納米線在納米電子器件方面具有很大的應用潛力。因而其在納米科學領域受到廣泛關注。金作為一種典型的導體金屬，具有高的電導率和熱導率，同時一維金納米結構也具有優良導電、導熱和延展性。在納米材料的製備研究中，科學家們一直致力於對其組成、結構、形貌、尺寸、取向、排布等的控制，以使得製備出的納米材料具備各種預期的特殊的物理化學性質。因此如何利用簡單高效的方法製備形貌規則、直徑均勻、高質量的金納米線成為該研究領域的熱點與難點。目前合成金屬納米結構的方法有多種，包括氣相合成法、液相合成法、固相合成法，其中液相合成中的模板合成法是使用最廣泛的。模板合成法具有方法簡單、製備出一維金屬納米材料直徑均勻、尺寸可控等優點，但一維金屬納米材料的生長對所選用的模板有較強的依賴性，當模板被去除時很容易引起納米線陣列的損傷，導致納米線陣列的有序度降低。基於此，提出一種固相法作為製備納米材料的有效方法，其主要特點是製備過程在全固態條件下進行，擺脫了傳統的液相合成納米結構的溶液環境束縛；製備裝置簡單，不需要任何模板來控制生成的納米結構的形態，其通過控制外加直流電場的方向可以控制離子傳輸方向進而控制納米結構的生長方向；通過控制外加直流電場的作用時間控制納米結構的長度；通過調節外加直流電場強度來控制納米材料的形態和排列的有序程度。但是在該固相法的指導下，由於金屬種類及其具有的不同特性，並非所有的金屬都能取得較好的結果。例如在申請號為200510012005.7專利中，提供了一種製備釐米級長度的銀單晶納米線陣列的方法：該方法包括，1）採用裸玻璃光纖作為基底，利用真空熱蒸鍍的方法，在裸玻璃光纖一側沿光纖軸向沉積兩片銀膜分別作為陰極和陽極；2）在陰極和陽極之間沿光纖軸向沉積rbag4i5銀離子導電薄膜，並使其覆蓋陰極和陽極；3）在真空狀態下，對陰陽兩級施加電壓200-500豪伏特，時間至少為40小時。而對於合成金納米結構，目前仍然大量採用的是液相合成法。技術實現要素：本發明的目的是提供一種具有釐米量級長度的金納米線陣列的製備方法，此法利用能夠傳輸金屬離子的快離子導體薄膜在外加直流電場作用下合成金納米線陣列，整個製備過程在全固態環境下進行，僅藉助外加直流電場，無需任何模板，就可以製得釐米量級長度的金納米線陣列。本發明的技術方案如下：一種釐米級長度的金納米線陣列的製備方法，具體合成步驟如下：（1）選取清潔的矩形石英玻璃片作為基底，另取石英玻璃片作為蓋片，蓋片疊置於基底表面，遮擋住基底中間4-6cm的寬度，基底兩側的電極的寬度分別為1cm和4cm；（2）將兩者固定並安放在蒸鍍工作檯上，按照電極面積的0.012g/cm2稱取純度為99.5%的銅粉放置於高真空電阻蒸發鍍膜機的鉬舟上，在真空度≤10-3pa條件下，利用真空蒸鍍法在基底兩端的表面上沉積兩片彼此平行的金膜作為電極，電極間距為4-6cm；（3）按照基底面積的0.006g/cm2，稱取快離子導體rb4cu16cl13i7原料放置於高真空電阻蒸發鍍膜機的鉬舟上，在真空度≤10-3pa條件下，利用真空蒸鍍法在基底表面上沉積厚度為400nm的快離子導體rb4cu16cl13i7薄膜，使其覆蓋整片基底，所述快離子導體薄膜材料由rbi（分析純，含量≥99.0%）、cucl（分析純，含量≥97.0%）和cui（分析純，含量≥99.0%）按4:13:3的摩爾比例研磨4-5h混合均勻製成；（4）外加直流電，電流強度為3~5ua，時間48h-72h，形成金納米結構。步驟（1）中的被遮擋的基底中間寬度為5cm。本發明與目前較為成熟的金納米材料的製備方法相比具有如下優點：1、具有良好的發展前景：本發明方法在固態環境中完成，可以避免目前較為成熟的液相合成納米材料方法中溶液對納米材料的侵蝕和破壞，同時擺脫了液體環境的束縛，使得製備納米材料的環境得以極大的放寬；2、製備過程簡單易行：本發明方法利用能夠傳輸金屬離子的快離子導體薄膜在外加直流電場作用下合成金納米結構，整個製備過程在全固態環境下進行，僅藉助外加直流電場，無需任何模板，就可以製得宏觀面積金納米結構；3、後續處理方便：本發明可以實現固態條件下製備金屬納米材料，便於與其它固態條件下進行的微/納米加工工藝結合，該金納米材料在製備完成後，在原位可以對其進行進一步的集成製造。附圖說明：圖1是本發明的實驗裝置的工藝流程圖；其中a為清潔的石英玻璃基底，b為基底兩端沉積金電極，c為在整片基底上沉積rb4cu16cl13i7薄膜，d為施加直流電場；圖2a、圖2b分別是在外加3ua和5ua電流作用下，金納米陣列的宏觀照片。採用的快離子導體薄膜均為rb4cu16cl13i7；圖3是金納米結構的eds譜；圖4是外加電流3μa時，a、b、c、d分別是不同放大倍數的金納米結構sem圖片；圖5是外加電流5μa時，a、b、c、d分別是不同放大倍數的金納米結構sem圖；具體實施方式：下面舉出幾個實施例對本發明做進一步的說明。參見圖1，一種釐米級長度的金納米線陣列的製備方法，具體合成步驟如下：（1）選取清潔的矩形石英玻璃片作為基底，另取石英玻璃片作為蓋片，蓋片疊置於基底表面，遮擋住基底中間4-6cm的寬度，基底兩側的電極的寬度分別為1cm和4cm；（2）將兩者固定並安放在蒸鍍工作檯上，按照電極面積的0.012g/cm2稱取純度為99.5%的銅粉放置於高真空電阻蒸發鍍膜機的鉬舟上，在真空度≤10-3pa條件下，利用真空蒸鍍法在基底兩端的表面上沉積兩片彼此平行的金膜作為電極，電極間距為4-6cm；（3）按照基底面積的0.006g/cm2，稱取快離子導體rb4cu16cl13i7原料放置於高真空電阻蒸發鍍膜機的鉬舟上，在真空度≤10-3pa條件下，利用真空蒸鍍法在基底表面上沉積厚度為400nm的快離子導體rb4cu16cl13i7薄膜，使其覆蓋整片基底，所述快離子導體薄膜材料由rbi（分析純，含量≥99.0%）、cucl（分析純，含量≥97.0%）和cui（分析純，含量≥99.0%）按4:13:3的摩爾比例研磨4-5h混合均勻製成；（4）外加直流電，電流強度為3~5ua，時間48h-72h，形成金納米結構。步驟（1）中的被遮擋的基底中間寬度為5cm。本發明的實現原理是：在外加直流電場作用下，陽極表面與快離子導體薄膜相接觸的金原子首先失去電子並轉變成金離子，金離子通過快離子導體薄膜向陰極傳輸，而電子通過外電路的導線向陰極移動，金離子在陰極邊緣得到電子後還原並堆積結晶成金納米結構。實施例1：一種釐米級長度的金納米線陣列的製備方法，包括下述步驟：（1）取兩片基底為10×5×0.2cm的清潔石英玻璃片，分別作為基底和蓋片，將基底和蓋片十字相交疊置固定在一起，上面的蓋片起遮擋作用，蓋片遮擋住基底中間5cm的寬度，基底兩側的寬度分別為1cm和4cm；（2）將兩者固定並安放在蒸鍍工作檯上，稱取0.3g純度為99.5%的銅粉放置於高真空電阻蒸發鍍膜機的鉬舟上，在真空度≤10-3pa條件下，利用真空蒸鍍法在基底兩端的表面上沉積兩片彼此平行的金膜作為電極，電極間距為5cm；（3）然後在蒸鍍好金電極的基底上蒸鍍（0.3g，即0.006g/cm2）快離子導體rb4cu16cl13i7薄膜，使其覆蓋整片基底（具體操作同（2））；（4）最後使陰極和陽極分別與恆壓源表的負極和正極連接，取外加電流強度大小為3ua，製得金納米線陣列長度為1cm（圖2a）。陣列中的金納米線無固定取向（圖4a、b、c、d）。所製備的金納米線束中，納米線的直徑分布範圍57-112nm（圖4c、d），其中有一些納米線出現分叉呈現「納米芽」狀結構（圖4c、d），且納米結構表面有較多的金納米顆粒生成，因此納米結構具有高度粗糙的表面。實施例2：與實施例1的不同之處在於第（4）步：最後使陰極和陽極分別與恆壓源表的負極和正極連接，取外加電流強度大小為5ua，製得金納米線陣列長度為1.2cm（圖2b）。陣列中的金納米線呈長程無序（圖5a、b）短程有序（圖5c、d）。所製備的金納米線束中，納米線的直徑分布範圍63-102nm（圖5c、d），納米結構表面有較多的金納米顆粒生成且分布較均勻，直徑分布範圍27-39nm（圖5d），因此納米結構具有高度粗糙的表面。參見圖3，結合表1，可以看到的是納米線的掃描電子顯微鏡能量散射譜-eds的分析結果，它表明納米線陣列只含有au元素。表1eds能譜分析金納米結構組成成分含量元素重量原子百分比百分比au100.00100.00總量100.00本發明的內容不限於實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。當前第1頁12