一维金属纳米材料的制备技术.pdf
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1、第 1 l巷第 l 期 VO l _ 1 j NO 1 粉末 冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e nc e a nd En gi ne e r i ng of Po wd e r M e t al l u r gy 2 0 0 6 年 2月 Fe b 2 0 0 6 一维金属纳米材料的制备技术 徐 剑,贺跃辉,王世 良,高 麟 L 巾南大学 粉来冶金国家重点实验室,长沙 4 1 0 0 8 3)摘 要:一维金属纳米材料很好地集合了一维纳米结构材料和金属的特性,在光学、电学、磁学等领域有着不可 忽视的潜在应用前景,且 一维 金属纳米材料的成功制备对 于顺利实现
2、纳米尺度功能组 件的实用化意 义重 大 该 文 作者综述了一维金属纳米材料(纳米线、纳 米棒、纳水管)的最新制备进 展,重点 评述 了模板合 成法、台阶边缘修 饰法、介孔 层状 结构 替曲法、软溶液法 制 备一维金 属纳 米材料 的过 程及生 长机 理,分 析了 目前研 究上存 在 的问 题,同时展 望了未来 的发展趋势。关 键词:金属;纳米线;制备;生长机理 中图分类号:T B 3 8 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 3 0 2 2 4(2 0 0 6)1 1 3一 O 6 Pr e p a r a t i o n t e c h n o l o g y o f o n e-d i
3、 me ns i o n a l m e t a l n a n o。ma t e r i a l s XU J i a n,HE Yu e h u i,WANG S h i l i a n g,GA0 I i“(S t a t e Ke y I a b o r a t o r y o f P o wd e r Me t a l l u r g y,C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y,Ch a n g s h a 4 1 0 0 0 8 3,Ch i n a)白 l 9 9 1年 S I i j i r n a发 现 碳 纳 米 管_ 1 以来
4、,一 系列 一 维纳 米 材 料如 纳 米 线、纳 米棒、纳 米管、纳 米带等被相继用不 同方 法合成 J,这些一维纳米 材料由于具有独特的结构特性和奇异的物理及化学 性质,有着很 大 的基础研究 价值 和潜 在 的应 用价 值,引起 了物理、化学、材料、生物等学科研究者 的浓厚兴趣,并得到了广泛的研究。同时,一维纳 米材料既是研究其他低维纳米材料的基础,又与纳 米电子器件及微型传感器密切相关,因此其制备及 应用等方面的研究已成为近年来材料科学界研究 的 前 沿课 题 。一维纳米材料 中,以碳纳米管和硅纳米线的研 究报道最 多【】,然 而近年来 随着研究 的进 一步深 入,人们发现,一维金属纳
5、米材料很好地集 合了一 维纳米材料及金属本身的特性,也具备优异的物理 和化学性能。特别是金属纳米线在纳米电子器件方 面具有很大的应用潜力 _ 。例如,Au、Ag等贵金 属纳米线具有优异的电学性能,可用于制作纳米 电 路器件;W、Mo等难熔金属纳米线具有出色的场发 射性 能,可作为场 发射 电子器件。而值得 注意 的 是,一维金属纳米材料在制备方法上,与一维非金 属_ g 、一维金属氧化物【等纳米材料有所不同。因 基金项 目:国家 自然科学基金资助项 目(5 0 3 7 4 0 8 2)收稿 日期:2 0 0 5 0 9 1 l 修订 日期:2 0 0 5 1 0 2 4 第一作者:徐 剑(1
6、9 8 2 ),男,硕士研究生,从事一维金 属纳米材 料的制备及生 长机理 的研究,电话:0 7 3 1 8 8 7 7 3 9 1;E ma i l;j i a n x u 9 9 1 2 6 t o m b ,n e d 一一一 蒯 儿 m _舌 哪 m 一 一 一 一 一 帅 曲 一 一 一 _蒌 一 m 州 _呈 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 m _量 l。一 一 一 一 一 一 一 一 一 维普资讯 http:/ 粉来冶金材料科学与 J 程 2 0 0 6年 2月 而探索其制备方法无论从理论上还是从实际应用 上 都有非常重要的意义。本文作者将对一维金属纳米 材料
7、制备上 的最新研究进展进行重点评述 一维金属 纳米材料 的制备 1 1 模板合成法 模板合成法是利用孔径为纳米级到微米级的多 孑 L 材料为模板,结合 电化学沉积、化学沉积等手段 使物质原子或离子沉积在模板的孑 L 壁 上形成所需要 的纳米结构体或纳米管n l _;其典型特点 为 由模板 提供的限域能力容易控制一维纳米材料的尺寸及形 状,可制作 多种结构 的纳米材 料。随着研 究的深 入,模板的概念也越来越广泛。目前,按模板材料 不同,模板法可分为多子 L 膜模板法、碳纳米管模板 法、聚合物膜模板法、生命分子模板法、非金属纳 米线模板法等等。1 1 1 多孑 L 膜模板法 多孑 L 阳极氧化铝
8、膜是多孔膜中研究 比较广泛 的 一种。潘善林等。利用 电化学 沉积法将多 孔阳极 氧化铝模板放入含 有 Au 的电解液 中,采用 2 0 0 Hz 正弦交流电和 1 O V 电压进行 电解,并在沉淀过 程加以搅拌,获得了直径 1 5 n m、长径比可控的 Au 纳米线,其直径与单个晶粒的直径相当,可将其看 作 由一串小的晶粒连接而成的线段 除多孔氧化铝 膜外,多孔氧化硅也可作为制备纳米线 的模板,H Ar a k i 等口 采用多子 L 氧化硅 F E M一 1 6模板制备 出了 Au纳米线;他们将二 甲基 金吸 附于 F E M一 1 6上,在紫外线下辐照,在 F S M一 1 6的一维孑
9、L 道 中获得直 径为 2 5 n m、平均长度达 1 7 1 n m 的 Au纳米线。1 1 2 碳纳米管模板法 碳纳米管独特的管状结构可为一维金属纳米材 料的制备提供物理处理和化学反应 限制的平台,是 一种很好的模板。从理论上讲,任何金属若能均匀 沉积在纳米管上,均可制备出金属纳米线,但 目前 只能获得数量有限的几种金属纳米线,原因在于很 多金属由于与碳的相互作用能力差、在纳米管表面 不能连续生 长,从 而不 能形 成纳 米线。Z h a n g Y 等口 通过使用 与碳相 互作用能 力强 的 Ti 作过渡 层,改善了上述状况。他们以涂覆金属 T i 的单壁碳 纳米管为模板,通过蒸发不同类
10、型的金属制备出了 直径 l O n m、长度为几十微米的连续生长的纳米线。他们认为,此法可制备一般方法较难制备 的一维金 属纳米材料,在金属或超导纳米材料的基础研究方 面有很大用途。同时指出,用 Ti 作碳纳米管的过渡 金属层制备纳米线易于推广,其机理很可能是 Ti C键较强的交互作用的影响。1 1 3 聚合物膜模板法 聚碳酸酯过滤膜是 目前所有聚合物膜模板 中使 用最广的一种。TI A N Mi n g l i a n g等 以聚碳酸酯 过滤膜为模板,用电化学沉积的方法制备出了平均 直径约 4 0 n m、长度 3 5 m 的金属 Au、Ag、C u、Ni、C o、Rh纳米线。他们 发现,制
11、备 出的贵金属 Au、A g、Cu纳米 线为单晶结构,沿 1 方 向生 长;而属于 V一 B族的 Ni、C o、Rh纳米线却 为多 晶结构。对此,他们认为,不 同晶体结构 由不同的 成核生长机理决定,贵金属纳米线的晶体结构对 电 化学沉积参数(如沉积过 电位、沉积 时间、添 加剂 等)敏感,遵循二维 成核生长机制,随着沉积 电位 降低,纳米线的晶体结构由典型的多 晶向树枝晶转 变,直至最后转变成单晶结 构;而 V一 B族金属纳 米线的晶体结构对电化学沉积参数不敏感,则遵循 典型 的 三 维 成 核 长 大机 制 进 行 生 长。M Wi r t z 等l 通过无 电沉 积将 Au沉积到 聚碳
12、酸酯 过滤薄 膜模板 的孑 L 壁上,制备 出了不 同内径 的 Au纳米 管,可作为分子筛,具有离子选择运输功能。1 1 4 生命分子模板法 生命分子如 DNA、生物微管等,也可作为制备 一维金属纳米材料的模板。E B r a u n等 1 最早报道 了用 DNA为模板,自组装制成 了连接两个 Au电 极 的 Ag纳米线 的方法。他们在两个 Au电极间填 充 DNA分子,利用 DNA 的分子识 别特性 在生物 模板 中直接构 造金 属 Ag纳米 线,其直 径达 1 0 0 n m、长度可达 1 2 m,此法可实现纳米结构的形成 和电学功能的组装。M Me r t i g等l 1。采用化学镀在
13、生物微管表面沉积金属薄膜制备 出了 Ni、C o金属 纳米管。具体过程是:先在微管表面上吸附 P d或 P t 作催化粒子,进而引发沉积 的 Ni 或 C o形 成纳 米管。金属膜的沉积厚度是制备纳米管的关键 因素 之一,若太薄,纳米管不均匀完整,一般厚度要在 l O n m 以 上才能 获得形态较 好 的纳米管。一 般地 说,D NA和生物微管模板各有特色,DNA具有较 强的分子识别能力和 自组装 能力,而生物微管具有 较长的长度、较大的长径 比和较好的抗弯特性,可 制备相对较直的纳米线或管。1 1 5 非金属纳米线模板法 通过适当的物理及化学处理,非金属纳米线也 可作为金属纳米线 的前驱体
14、模 板。S o n g J H 等 1 g 用L i Mo。S e。纳米线为前驱体模板,在室温下通过简 单的氧化还原工艺制备 出了直径 l O-l O O n m、长度 维普资讯 http:/ 第 l 1卷笨 l期 绦 剑,等;一维金属纳米材料的制备技术 为几个 m 的金属纳 米线。前 驱体 I i Mo。S e 纳米 线是还原剂,同时是反应进行的模板。其实质是利 用 Mo。s e 还 原水 溶液 中 的金 属离 子 如 Au C 1 4、A g 、P d C I j、P t C 1 等,再将金属离子还原成金属 直接沉积在纳米线模板上 与此 同时。纳米线模板 被氧化成 Mo。S e。而最 终溶
15、解在水溶液 中,通 过这 种协同作用 的化 学模 板法可制 备出 Au、Ag、P d、P t 纳米线。此法的特点之一在于在室温下即可实现 对前驱体模板进行氧化还原制备出连续生长的金属 纳米线,且其制备出来的纳米线可用于制作纳米电 子电路的互连器件。最近,Wo n g T C等 门 采用 S i 纳米线为模板,制备出了直径约 1 0 n m 的 Au纳米线。该法是先将 S i O粉末热分解制备出 s i 纳米线,再用 Ar 离 子溅 射将 Au颗粒涂敷在纳米线 上,将涂敷 了 Au颗粒 的 S i 纳米线在 1 3 3 3 P a、8 8 0的炉 中进行退火,从而在 S i 纳米线的芯部形成 A
16、u纳米线,最后通过 HF酸除去 Au纳米线外部 的 s i()层 即可得 到 Au 纳米线。Au纳米线的形成是 S i 纳米线氧化时发生 软化以及 Au在 高温下 的强化扩散共 同作用 的结 果。S i 纳米线表面成分、Au纳米颗粒尺寸大 小以 及退火时间对形成 Au纳米线有重要影 响。此法简 单易行,可实现 Au纳米线 的批量生产。另外,Z h o u J u r l 等 报道 了还原 Mo()7 纳米线 制备纯 Mo纳米线的方法。他们通过热蒸发法制备 出 Mo O 纳米线,以其为模板,直接还原获得 Mo 纳米线。1 1 6 介孑 L 材料法 介孑 L 材料特别是具有较高表面积和孑 L 尺寸
17、均匀 的 介 孑 L 硅 材 料 也 可 作 为 制 备 金 属 纳 米 线 的 模 板 卜。川。Hu a n g M H 等 船 通 过 在 介 孔 S i 材 料 S B A 1 5的纳米通道 中浸渍 Ag NO。,然后进行热分 解处理,获得 了直径 均匀(5 6 n m)、长 径 比大(1 O O 1 0 0 0)的多晶 Ag纳米线。他们发现,合理选 择浸渍溶液对 S B A一 1 5材料的介孔能否被完全填充 很关键,实验采用乙醇一 H。0(体积 比为 1:1)溶液 的填充效果较好,而采用纯水或者乙醇一 H O(体积 比为 3:7或 者 8:2)均不能获得满意结果,这与 H 0和乙醇不同
18、的表面张力直接相关。总之,模板合成法具有方法简单、制备出的一 维金属纳米材料直径均匀、尺寸可控 等优点。但一 维金属纳米材料的生长对所选用模板有较强的依赖 性,如模板和纳米线分离可能造成纳米线损伤,模 板制备的纳米线多为多晶结构,较难实现批量生产 等。1 2台阶边缘修饰法 台阶边缘修饰法I 制备纳米线 最初是 将金属 或其它材料选择沉积在单晶表面台阶边缘上,可控 地连续生 长出不同宽 度和线 间距 的金属线;但金属 线离单 晶表面的垂直距离只有 1至 2个原子层,较 难从沉积表面移走。Z a c h M P等口 改进 了上述方 法,制备出了 直径在 5 n m1 0 m、长度 可达 0 5 m
19、m的金属 Mo纳 米线,其具体过程如 图 1所 示-2 ,首先,在石墨表面的台阶边缘有选择地 电沉 积碱性 Mo t)溶液 的纳米线,该纳 米线 由 2 0 n T l 1 3 m的 Mo O 组成,它们易碎且绝缘但高度均 匀;其次,在 5 0 0下将 Mo 还原成 Mo纳米线,并保持原 Mo O 纳米线的尺寸均匀性和圆柱形状,通过附在聚苯 乙烯表面而从石墨表面分离。他们发 现,与 Mo不同,Ag、P t、C u等贵金属所对应的氧 化物不稳定且导电性差,它们虽然在 石墨表面显示 出电沉 积特性,但在石墨上沿 台阶边缘不能形成连 续生长的高线性度的纳米线,而是形成 了许 多不连 续的微米级盒 属
20、颗粒。而另外 几种非 贵金属则 与 Mo相似,如 C a 等在石墨表面沉积可形成连续生长 的高线性度的纳米线 最近,Wa l t e r E C等口。在 贵金属和货 币金属 纳米线的制备上取得突破,他们在高度取向热解石 墨表面台阶边缘接连施加 3个电压脉 冲选择性沉积 金属,获 得 了直 径 6 O7 5 0 r i m、长 达 5 0 0 z m 的 N i、C u、Ag、Au纳米线。这 3个电压脉冲分别为:氧化激活脉冲、还原成核脉 冲以及还原生长脉 冲。他们发现,纳米线半径与沉积时间的平方根成 比例 关系。1 3介孔层状结构卷曲法 在适当条件下,具有层状结构的单质或化合物 可能通过层的收缩
21、、折叠或卷曲而形成卷状物,继 而形成纳米管或纳米线。介孔层状结构卷曲法 形成 纳米 管 线 的机 理 如 图 2所 示。L I Ya d o n g 等。在低温下水热还原合成 了直径约 5 n m、长度 为 0 5-5 x m 的 B i 纳 米管,在解 释纳米管 的形成 机理时提出了上述层状卷曲机制。他们的研究证实 了层状结构 的 B i 可 以通过卷 曲形成纳米管,同时 实现了低熔点金属 B i 纳米 管的合 成,而传统方法 是难 以完成此类合成的。另外,他们 阳 首先通过钨 酸钠(s o d i u m t u n g t a t e,Na 2 WO 4)和溴化 十六烷三 甲基铵(C T
22、A B)在水热条件下反应制备出了层状介 孔前驱体 w0 L,再 将反应 产 物进行 真空 热处理 维普资讯 http:/ 粉束冶金柑料科学 与 L 程 2 0 0 6年 2月 一 一 c ast po ly(sty rene)m 图 1 台阶边缘修饰法制 备 Mo纳米线示意 图 “F i g 1 S c h e ma t i c i l l u s t r a t i o n o f p r e p a r a t i o n o f Mo Na n o wi r e s b y s t e p e d g e d e c o r a t i o n f-。后,获得了直径 2 0 8 0 n
23、m、长度达儿 f 微米 的 w 纳米线。为了更进一步验证 上述卷 曲机制,在设 计 合成出一系列人工介孔层状结构 前驱物 的基础上,通过控 制适 当的化 学合成 条件,又制备 H 了 Ni、C o、C u、C d纳米 线。1 4 软溶液法 软溶液法的基本原理为:在室温下,当溶液 中 同时存在某种特定的籽晶核和适 的聚合物表而活 性剂时,可通过 乙二醇还原 Ag NO。制 备出 Ag纳 米线 。S UN Yu g a n g等 利用此法 制备 出 了直径在 3 0 4 0 n m、长达 5 O l*m、均匀生长的双 晶 Ag纳米线。此法分两步进行:首先,将 P t C l。溶 解在乙二醇 中,采
24、用同流加热至 1 6 O,由乙二醇 将 P t C 1 还原成 P t 纳米粒子(籽晶核);其 次,再 向 上述溶液中加入 Ag NO。和表面活性剂聚乙烯吡咯 烷酮(P VP),乙二醇将 Ag NO。迅 速还原成 Ag纳 米粒子,同时 P VP的存在使得金属 A g可直接生长 图 2 介孑 L 层状结构卷 曲法 形成 纳 米管 线L 2 8 2 9 F i g。2 Fo r ma t i o n o f n a n o t u b e s n a n o wi r e s b y l a n ml l a r F f l e s o s t r u c t u r e r o l l i ng
25、 L。一 。成长径 比达 1 0 0 0的纳米线。P t 籽 晶核和 P VP的 存在对 A g纳米线的生长具有关键作用,若没有上 述任何一种,将不能 制备 出纳米线。在 Ag NO。被 乙二醇还原后,Ag原子通过均质生核 和在 P t 晶核 上的异质 核,形成具有两种不 同尺寸分布的纳米 Ag颗粒 其 中。尺 寸较 大 的纳 米颗 粒通 过“Os t w a l d 熟化机制”逐渐长大,而尺寸较小 的纳米颗粒 则逐渐消失。P VP作为一种聚合物表面活性剂,它 可通过(_)一Ag键化学吸附在 Ag纳米晶表面,通过 和 Ag晶面间的吸附和解附作用控制着不同晶面的 生长速度,从而使纳米 Ag颗粒生
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