金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯及製造方法
2023-04-24 01:23:16 2
專利名稱：金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯及製造方法
技術領域：
本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯及製造方法屬於納米微粒尖端材料及加工工程技術範疇，涉及碳材料、金屬材料領域，具體來講是一種金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯及其製造方法。
目前，製備金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯採用的是電弧技術把金屬或金屬氧化物、石墨粉粘合劑(瀝青、糊精)填塞到石墨棒中，高溫處理後在標準富勒烯反應器中作正極放電，以弧光放電方式將金屬納米微粒包容在富勒烯的空腔內，但是所生成的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯存在於陰極生成的多晶型堆積物之中，很難將其從形成堆積物的石墨狀物質及非晶態碳等不純物質中分離出來，目前所採用的升華法、液相色譜法等分離提純方法成本高、產率低。此外，所生成的洋蔥狀富勒烯單體的尺寸、形狀、形成部位、修飾狀態以及各洋蔥狀富勒烯之間的接合狀態等方面均缺乏有效的控制手段，因此在生產工藝、產量和產品質量諸方面存在著難以解決的問題。並且可修飾洋蔥狀富勒烯的納米微粒也僅限於某些特定的金屬微粒。洋蔥狀富勒烯屬於非穩定性物質，目前尚未檢索到能夠提高洋蔥狀富勒烯穩定性的保護性技術。特別是將金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯作為設備器件的原材料而應用時，控制其形核部位、長大過程、尺寸大小、各金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯之間的連接狀態及它們自身的穩定性有重要的現實意義，而現有的方法尚無法達到上述目的。
本發明的目的在於提供一種具有連續結構的、薄膜狀的、或者是圖案化的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯新型功能材料及一種相對簡易可行的重複性非常好的能夠控制金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的形核位置、長大過程、接合狀態並且能夠保護金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯自身穩定性的製造方法。
本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料，其特徵在於是一種具有複合層結構的，由非晶態碳膜的支撐膜和非晶態碳膜的覆蓋膜所構成的，在其複合層界面處含有單個或多個金屬納米微粒被包容在洋蔥狀富勒烯空腔內的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料，其特徵在於是一種多個金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯相互連接的，具有連續結構的、薄膜狀的、或者是具有所設計圖案的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於是以金屬納米微粒作為富勒烯形核的基礎，配置於作為支撐膜的非晶態碳膜之上，再用作為覆蓋膜的非晶態碳膜對其前述配置在支撐膜上的金屬納米微粒進行覆蓋，形成具有複合層結構的含有金屬納米微粒的非晶態複合碳膜，然後用高能射線照射該複合體，在金屬納米微粒和高能射線的共同作用下，在複合層界面處，橫跨支撐膜和覆蓋膜，生成金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯。
本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於其具體製造過程的步驟為A·使用厚度為5-150nm的非晶態碳膜作為支撐膜；B·在支撐膜上配置單個或多個1～100nm的金屬納米微粒，其納米微粒的配置可根據不同的目的，採用相應的方法；C·用厚度為5-150nm的非晶態碳膜作為覆蓋膜，覆蓋於已配置了單個或多個金屬納米微粒的支撐膜上構成複合體；D·對複合層界面處含有單個或多個金屬納米微粒的，由支撐膜和覆蓋膜構成的複合體，從覆蓋膜上方用高能射線進行照射，生成單個或多個金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯。
E．對已生成的多個金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯繼續進行高能射線照射，使其繼續長大並相互連接，其外殼數層碳原子被共有化，結合形成具有連續結構的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於是所述的金屬納米微粒包括純金屬Cu、Al、Sn、Mo、Ni、Si、Zr、Ti、Pb、Pt、Fe、Co、La、W、及金屬氧化物LaO、Al2O3、ZnO、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、(Pb、La)(Zr、Ti)O3(PLZT)。
本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於是所述的高能射線是電子射線、離子射線，其照射強度以提供能將金屬納米微粒周圍的碳活化，促使洋蔥狀富勒烯形核長大的能量為宜。
本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於是把多個金屬納米微粒分散相應配置，即可生成相互連接的、連續結構的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料；把多個金屬納米微粒按照所設計圖案進行配置，即可生成相互連接的、連續結構的圖案化的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料本發明的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯及其製造方法，其優點在於可根據金屬納米微粒的配置位置、尺寸、種類，高能射線的照射時間、照射強度、照射時的氣氛、控制非晶態複合碳膜中洋蔥狀富勒烯的形成位置及生長過程，通過工藝及參數的調整，可得到具有不同形成位置、尺寸、形狀、性質的，連續結構的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。這將使進一步深入研究金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的生長機理及物理性能成為可能。利用金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的接合特性、量子力學效應(量子井、微能帶等)等重要性能，可用作具有特殊要求的電子元件、過濾器件、傳感器件等設備器件的材料、超導材料、生物材料、醫用材料、新型雷射材料、非線性光學材料、信息存儲材料、光電材料等新型功能材料。其應用範圍極為廣闊。
金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料的製造方法示意圖。[圖2]圖案化的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料的製造方法示意圖。[符號說明]A……作為支撐膜的非晶態碳膜B……作為覆蓋膜的非晶態碳膜C……金屬納米微粒D……非晶態複合碳膜E……高能射線F……金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯G……連續結構的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯J……薄膜狀金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料H……具有所設計圖案狹縫或微孔的靶L……連續結構的圖案化的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯實施例1如圖1所示，在非晶態碳膜A上放置好帶有多個微孔的鉑靶，將其置於真空室內的室溫載物臺上，以加速電壓3.0kv，射束電流0.25mA的氬離子束，沿入射角為40°的方向照射鉑靶微孔的內壁，照射時的氣氛為1×10-3Pa的真空(含氬氣)。由於氬離子束對鉑微孔的傾斜照射，使多個鉑納米微粒脫離母體被分散相應配置於非晶態碳膜A上(圖1(a))，鉑納米微粒的平均直徑約為3nm。隨後在配置好鉑納米微粒的非晶態碳膜A上，採用蒸鍍法覆蓋厚度約為10nm的非晶態碳膜B，便製成了非晶態複合碳膜D。在這個非晶態複合碳膜D的複合層界面處，多個鉑納米微粒被封閉於其中(圖1(b))。將製成的非晶態複合碳膜D置於JEM-2010電子顯微鏡真空室內的室溫載物臺上，在1×10-5Pa的真空條件下，用1×1020e/cm2·sec的電子束E，從非晶態碳膜B的上方進行照射，照射後對非晶態複合碳膜D進行TEM觀察，可看到位於非晶態複合碳膜D複合層界面處的多個鉑納米微粒分別作為富勒烯形核的基礎，誘發形成多個同心園狀碳的組織，並且各鉑納米微粒分別被誘發形成的同心園狀碳的組織包容於其中[圖1(c)]。這些同心園狀碳的組織其層間隔約為0.35nm，經確認是巨型富勒烯中的一種——洋蔥狀富勒烯F。即得到了含有鉑納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯結構的材料。繼續對該非晶態複合碳膜D進行電子束照射，照射時間延至400秒，再次進行TEM觀察，可看到伴隨著各洋蔥狀富勒烯的生長，相鄰的鉑納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯連接起來，形成具有連續結構的鉑納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料G[圖1(d)]。
實施例2如圖1所示在前述實施例1中，作為在非晶態碳膜A上配置納米微粒時所用的靶，改為鎳靶，經與實施例1用同樣的方法將鎳納米微粒配置於非晶態碳膜A上，再用非晶態碳膜B覆蓋後，在與實施例1同樣條件下，從非晶態碳膜B的上方照射電子束，照射400秒後，進行TEM觀察可看到多個鎳納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯生成並相互連接，再持續對非晶態複合碳膜D進行電子束照射，照射時間延至4000秒再次進行TEM觀察，伴隨著鎳納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯F的進一步長大，非晶態碳膜A和非晶態碳膜B基本被富勒烯化，得到了薄膜狀鎳納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯J[圖1(e)]。
實施例3如圖2所示採用具有如圖2(a)所示那樣圖案形狀狹縫或粒孔的銅靶H，作為在非晶態碳膜A上配置納米微粒時所用的靶，使用與實例1同樣的方法在非晶態碳膜A上配置銅納米微粒，這些銅納米微粒便按照狹縫或微孔的圖案，被相應配置於非晶態碳膜A上，經與實施例1同樣的方法，用非晶態碳膜B覆蓋後，在與實施例1同樣的條件下，從非晶態碳膜B的上方照射電子束，照射400秒後進行TEM觀察可看到多個銅納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯F在與銅靶狹縫圖案相應的位置生成並相互連接，即連續結構的圖案化的銅納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯L，在非晶態複合碳膜內部生成了[圖2(c)]。這樣，通過有目地的控制在支撐膜上金屬納米微的配置位置，便可得到含有各種圖案的連續結構的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
作為實施例1、實施例2、實施例3中非晶態複合碳膜D複合層界面處所配置的金屬納米微粒，還可分別用Au、W、Al、Al2O3、等納米微粒取代Pt、Ni、Cu納米微粒，在同一條件下用電子束照射非晶態碳膜D，便能夠得到各種金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯，進而得到薄膜狀金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯或圖案化的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯。
作為本發明的比較例，把沒有配置鉑等納米微粒的非晶態複合碳膜，在與實施例1相同的條件下，用電子束照射卻沒有生成洋蔥狀富勒烯。
權利要求
1．金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料，其特徵在於是一種具有複合層結構的，由非晶態碳膜的支撐膜和非晶態碳膜的覆蓋膜所構成的，在其複合層界面處含有單個或多個金屬納米微粒被包容在洋蔥狀富勒烯空腔內的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
2．按照權利要求1所述的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料，其特徵在於是一種多個金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯相互連接的，具有連續結構的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
3．按照權利要求1所述的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料，其特徵在於是一種多個金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯相互連接的，薄膜狀的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
4．按照權利要求1所述的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料，其特徵在於是一種多個金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯相互連接的，具有所設計圖案的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
5．權利要求1所述的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於是以金屬納米微粒作為富勒烯形核的基礎，配置於作為支撐膜的非晶態碳膜之上，再用作為覆蓋膜的非晶態碳膜對其前述配置在支撐膜上的金屬納米微粒進行覆蓋，形成具有複合層結構的含有金屬納米微粒的非晶態複合碳膜，然後用高能射線照射該複合體，在金屬納米微粒和高能射線的共同作用下，在複合層界面處，橫跨支撐膜和覆蓋膜生成金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯。
6．按照權利要求5所述的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於具體製造過程的步驟為A·使用厚度為5-150nm的非晶態碳膜作為支撐膜；B·在支撐膜上配置單個或多個1～100nm的金屬納米微粒，其納米微粒的配置可根據不同的目的，採用相應的方法；C·用厚度為5-150nm的非晶態碳膜作為覆蓋膜，覆蓋於已配置了單個或多個金屬納米微粒的支撐膜上構成複合體；D·對複合層界面處含有單個或多個金屬納米微粒的支撐膜和覆蓋膜構成的複合體，從復覆蓋膜上方用高能射線進行照射，生成單個或多個金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯。E·對已生成的多個金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯繼續進行高能射線照射，使其繼續長大並相互連接，其外殼數層碳原子被共有化，結合形成具有連續結構的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
7．按照權利要求5所述的一種金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於是所述的金屬納米微粒包括純金屬Cu、Al、Sn、Mo、Ni、Si、Zr、Ti、Pb、Pt、Fe、Co、La、W、及金屬氧化物LaO、Al2O3、ZnO、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、(Pb、La)(Zr、Ti)O3(PLZT)。
8．按照權利要求5所述的一種金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於是所述的高能射線是電子射線、離子射線，其照射強度以提供能將金屬納米微粒周圍的碳活化，促使洋蔥狀富勒烯形核、長大的能量為宜。
9．按照權利要求5所述的一種金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯的製造方法，其特徵在於是把多個金屬納米微粒分散相應配置，即可生成相互連接的、連續結構的膜狀金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料；把多個金屬納米微粒按照所設計的圖案進行配置，即可生成相互連接的、連續結構的圖案化的金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯材料。
全文摘要
金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯及製造方法,屬於納米微粒尖端材料及加工工程技術範疇,涉及碳材料、金屬材料領域,其特徵在於是以金屬納米微粒作為富勒烯形核的基礎,配置於非晶態碳膜上,再覆蓋一層非晶態碳膜構成複合體,用高能射線照射該複合體生成金屬納米微粒修飾洋蔥狀富勒烯。該方法解決了富勒烯科學家所盼望解決的問題,實現了對非晶態複合碳膜中富勒烯形核位置及生長過程的有效控制,對於富勒烯材料的研究和應用開闢了新路。
文檔編號C01B31/00GK1226510SQ9812147
公開日1999年8月25日 申請日期1998年9月30日 優先權日1998年9月30日
發明者石巨巖, 衛英慧, 李晉敏, 梁偉, 陸路, 周禾豐, 許並社 申請人:太原理工大學