一维纳米材料的制备方法

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：下面对一维纳米材料的制备方法进行详细介绍。VS生长法是一维纳米材料合成的最重要的方法之一。制备出的产物基本上涵盖了目前可制备的零维、一维等纳米材料。

一维纳米材料由于形态的特殊性，在众多相关领域都有应用，因此制备方法很多，目前科研人员主要研究的是一维纳米材料的形态机理与生长动力学，探索不同的物理、化学制备一维纳米材料的新方法，揭示其微观结构、生长形貌和尺寸大小规律，以指导进一步的实验研究和应用开发。下面对一维纳米材料的制备方法进行详细介绍。

1.使用气-液-固（VLS）生长法制备一维纳米线

自1998年首次利用激光烧蚀法与气-液-固生长机理结合制备Si、Ge的单晶线以来，目前，采用VLS生长法合成纳米线的报道很多。采用VLS生长法很容易获得Si纳米线及阵列。如图1.3所示为在金［111］晶面的衬底上通过VLS生长法制备的纳米线。此外，VLS生长法也可以作为半导体纳米材料生长的一种常见方法，Hsu等采用微小的金颗粒作为生长催化点，得到了直径很窄（10～15 nm）和长度相对较长（2～10 μm）的ZnO纳米线，而ZnO纳米线阵列组成的不同图案则可以通过改变金生长点的排列图案得到。

2.使用气-固（VS）生长法制备一维纳米线

图1.3　使用VLS生长法制备的一维纳米材料

（a）VLS生长法示意图；（b）扫描电子显微镜（SEM）下在硅上沿硅外延生长的硅纳米线；（c）透射电子显微镜（TEM）下硅纳米线和衬底之间的界面区域

VS生长法一般是指把一种或几种反应物在高温区通过加热形成蒸气，然后用载气气流运送到反应器低温区或者通过快速降温的方法使反应物的蒸气沉积下来，生长成一维纳米材料的方法。VS生长法又可以分为物理蒸发法和化学气相沉积法。前者是通过物质的物理蒸发以及再沉积过程实现的，属于物理过程；后者则在蒸气形成后发生了化学变化，最终沉积得到的一维纳米材料和前驱体的化学成分是不同的。VS生长法是一维纳米材料合成的最重要的方法之一。使用该方法所需的反应温度比较高，并且需要根据反应物的不同熔点和挥发温度来选择合适的蒸发温度，但是通过这种方法制得的一维纳米材料的结晶性能很好，即质量很好。Liu等采用VS生长法得到了含有大面积有机电荷转移复合物（AgTCNQ和CuTCNQ）的一维纳米线。研究表明，这些纳米线阵列具有优良的场发射性能，因此它们在真空器件中有巨大的应用潜力。

3.使用溶液法制备一维纳米线

依据其基本原理，使用溶液法制备一维纳米材料可以分为水热法、沉淀法、溶胶-凝胶法和水解法等。其中最重要的一个方法是水热法，它可以在较低温度下获得高温相，其优点是可以直接制备各种氧化物粉体，不需要进行二次热处理，制作工艺很简单并且产品性能优异。

水热法是指在一定的温度和压力下，在水、水溶液或蒸汽等流体中进行的有关化学反应过程的总称。使用水热法既可以制备单组分微小纳米晶体，又可以制备双组分或多组分的特殊化合物纳米材料。晶体在水热条件下生长具有以下几个优点：（i）水热生长纳米级晶体是在相对较低的热应力条件下生长的，因此，其位错密度远低于高温熔体中生长的晶体的密度；（ii）水热法晶体生长是在密闭系统里进行的，可以控制反应气氛而形成氧化或还原反应条件，实现其他方法难以获得的物质的某些物相生成；（iii）水热反应体系存在溶液的快速对流和十分有效的溶质扩散，因此具有较快的生长速率。例如，Wang等在相对较低的热力学条件下，采用水热法选择性地控制合成出α-MnO2和β-MnO2晶型结构的纳米线。其中，晶体结构和最终产品的形态是通过改变反应过程中NH4+和SO42-的浓度来控制的。

4.分子自组装法

分子自组装是指分子在弱作用力下（范德华力、氢键、静电、疏水亲脂作用等）自发地构筑具有特殊结构和形状的稳定聚集体的过程。在化学科学方面，分子自组装为设计和制造构建纳米元件提供了新的观念、方法和途径。研究分子自组装的机理，可以实现具有特定结构和基团的分子自发地按所需要求组装成特定的纳米结构。自然界中许多生物大分子（如DNA、RNA、病毒和酶等）都是通过自组装形成高度组织化、信息化和功能化的复杂结构的。同样，在化学领域，分子的自组装过程也是普遍存在的。例如，液晶的形成过程、晶体的生长过程都伴随着自组装过程。

自组装过程从简单到复杂，无处不在。科研人员在此基础上制备出了有机/无机杂化结构的纳米薄膜、传感器、太阳能电池、光通信元件等。这些材料具有导电、电致发光、光电转换等优异功能。目前，通过自组装方法获得一维纳米结构的研究已经比较深入，一般而言，可以通过分子自组装的方法得到更多种类的一维纳米材料。例如，Xu等合成了有机分子内电荷转移化合物（TCBD）2OPV3，并可以在不同溶剂条件下，通过分子间的D-A相互作用将其组装成一维纳米线等纳米材料。

5.模板法

使用模板法制备纳米材料在一维纳米材料的制备上占有极其重要的地位，被广泛应用于纳米结构单元（包括零维纳米粒子，一维纳米线、纳米棒和纳米管等一维纳米材料）的制备和纳米结构阵列体系的组装中。制备出的产物基本上涵盖了目前可制备的零维、一维等纳米材料。在制备不同种类的纳米材料方面，利用模板法可以制备金属、合金、半导体、聚合物、氧化物及以上材料的杂化或者复合组分等多种一维纳米结构的有序体系。模板根据其自身的特点和限域能力的不同，通常可分为软模板（Soft Template）和硬模板（Hard Template）。硬模板主要是指一些具有相对刚性结构的模板，主要包括阳极氧化铝膜、多孔硅、分子筛、胶态晶体和碳纳米管等；软模板主要是指没有固定的组织结构但是在一定空间范围内具有限阈能力的分子体系，主要包括高分子模板、生物分子模板、液晶模板、单分子层模板等。

一维纳米材料的制备方法

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