CN100586614C - 一种可控制备金属纳米颗粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：a.利用镀膜技术在表面平整的衬底表面沉积一层厚度均匀的金属薄膜；b.将表面沉积好金属薄膜的衬底进行热处理，在惰性气体气氛下升温；c.关闭惰性气体，通入氢气继续加热，使金属薄膜熔化成分散的小液滴；d.关闭氢气、停止加热，通入惰性气体降温至室温。本发明纳米颗粒的直径随着薄膜厚度的增加而增加，通过控制镀在衬底上的薄膜厚度就可以调节最后所得到的纳米颗粒的直径，生产工艺简单，成本低，且能够适应于大面积制备金属纳米颗粒，对制备大面积一维纳米材料具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料设计和制造技术领域，尤其涉及一种可控制备纳米颗粒的方法。
背景技术
金属纳米颗粒由于其特殊的光电性能与催化特性，被广泛地应用于各个领域，例如在制备一维纳米材料时，金属纳米颗粒就常作为催化剂或刻蚀掩模。在利用金属纳米颗粒制备一维纳米材料的过程中，所形成的一维纳米材料的直径取决于纳米颗粒的直径，因此如果能够控制纳米颗粒的直径就可得到直径可控的一维纳米材料阵列。目前制备金属纳米颗粒阵列的方法主要有电子束曝光法、模板法、胶体晶体刻蚀法等。其中电子束曝光法可以精确地控制所形成的纳米颗粒的直径及分布，但是其价格昂贵，耗时长，因此不适合大规模的生产；模板法和胶体晶体刻蚀法也因为存在制作工艺复杂及不能适应大面积制备等缺点而得不到广泛的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种可控制备金属纳米颗粒的方法，在一定条件下对镀于平整衬底上的金属薄膜进行热处理而在衬底表面得到金属纳米颗粒，控制薄膜的厚度即可调节纳米颗粒的直径。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可控制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
a.利用镀膜技术在表面平整的衬底表面沉积一层厚度均匀的金属薄膜；
b.将表面沉积好金属薄膜的衬底进行热处理，在惰性气体气氛下升温；
c.关闭惰性气体，通入氢气继续加热，使金属薄膜熔化成分散的小液滴；
d.关闭氢气、停止加热，通入惰性气体降温至室温。
上述步骤a所述的镀膜技术采用溅射的方法，或电子束蒸发的方法。
上述步骤b、步骤d所述的惰性气体的气流量为200sccm。
上述的惰性气体为Ar气。
上述步骤b所述的升温温度为金属块材熔点的一半至低于金属块材熔点100℃之间的任一温度值。
上述步骤c所述的继续加热，其时间为30分钟。
本发明与现有技术相比，纳米颗粒的直径随着薄膜厚度的增加而增加，通过控制镀在衬底上的薄膜厚度就可以调节最后所得到的纳米颗粒的直径，生产工艺简单，成本低，且能够适应于大面积制备金属纳米颗粒，对制备大面积一维纳米材料具有重要的意义。
附图说明
图1是管式加热炉装置示意图，图中1为衬底，2为加热丝，3为石英管。
图2是热处理后所得到不同直径的金银纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图及其平均直径分布图。其中：
图2(a)-(f)是厚度为2nm、4nm、6nm、8nm、10nm和14nm的金银合金薄膜经过热处理后所形成纳米颗粒的SEM图。
图3是不同厚度的金银合金薄膜经过热处理后所形成的纳米颗粒的平均直径分布图。
图4是金银合金纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图及能谱图。其中：
图4(a)是金银合金纳米颗粒的TEM图；
图4(b)是金银合金纳米颗粒的高分辨TEM图；
图4(c)是图4(b)中区域I的放大图，其中插图为电子衍射花样。
图5是金银合金纳米颗粒的选区X射线能量弥散谱。
图6是图4(b)中区域II的元素分布图。其中：
图6(a)是金元素在纳米颗粒中的分布图；
图6(b)是银元素在纳米颗粒中的分布图。
具体实施方式
一般来说，金属块材结构的熔点是比较高的，随着尺寸的缩小其熔点会大幅度下降，例如金的块材熔点为1064℃，但当其尺度缩小到2nm的时候，熔点也下降为227℃。可见，纳米尺度的金属，其熔点比块材结构低很多。本发明依据这一原理，采用远远低于金属熔点的温度对金属薄膜进行热处理使其快速熔化的方法得到金属纳米颗粒，首先通过镀膜技术在表面平整的衬底上获得均匀的金属薄膜，然后在惰性气体的保护下对金属薄膜进行热处理，在氢气气氛下继续加热使金属颗粒熔化成分散的液滴，最后再在惰性气体的保护下冷却至室温，就能够形成金属纳米颗粒。
下面结合附图对本发明作进一步的描述，本发明的工艺步骤如下：
1.选用表面平整的两寸(100)单晶硅片作为衬底。
2.将衬底放置于离子溅射仪中进行镀膜，溅镀金银合金。溅射仪的电流为2mA，溅射电压为1000V，溅射用气体为空气，溅镀时间为1分钟、2分钟、3分钟、4分钟、5分钟和7分钟，所对应的薄膜厚度约为2nm、4nm、6nm、8nm、10nm和14nm。
3.将表面沉积好金银合金薄膜的样品放入如图1所示的管式加热炉，在Ar气的保护下升温到500℃，Ar气的流量为200sccm。
4.当温度达到500℃时，关闭Ar气，通入氢气对金银合金薄膜继续加热，氢气流量为200sccm，处理时间为30分钟。
5.待金银合金薄膜熔化成分散的小液滴后，关闭氢气，再通入200sccm的Ar气作为保护，降温到室温，即可在硅片表面得到均匀分布的金银合金纳米颗粒。
由于金银合金的块材熔点介于金的块材熔点与银的块材熔点之间，约1000℃，故上述工艺步骤热处理的温度为500℃。对制备好的金银合金纳米颗粒进行扫描电子显微镜(SEM)分析。如图2所示，其中图(a)-(f)分别为薄膜厚度约2nm、4nm、6nm、8nm、10nm和14nm的金银合金薄膜经过处理后所形成的纳米颗粒阵列的SEM图。从图中可以看到，在硅片表面得到了均匀分布的金银纳米颗粒阵列，并且所形成的纳米颗粒的直径均分布在一个很小的范围之内，如：厚度为2nm的金银合金薄膜经过处理后形成的颗粒直径为5nm～20nm，厚度为8nm的金银合金薄膜经过处理后形成的颗粒直径为20nm～50nm。
从图3可以看出，金属纳米颗粒的平均直径随着金属薄膜厚度的增加而增加，因此可通过控制金属薄膜的厚度来调节金属纳米颗粒的直径。在本实施例中，金属薄膜的厚度随溅射时间的增长而增厚，因此可以通过采用不同的溅射时间来制备不同直径的金属纳米颗粒。
对样品进行进一步的透射电子显微镜(TEM)分析。如图4所示，其中图4(a)为金银颗粒的TEM图，图4(b)为金银颗粒的高分辨TEM图，图4(c)是图4(b)中区域I的放大图，从图4(c)中可以看出，所形成的金银合金纳米颗粒为晶体结构，其晶面间距为0.204nm，对应与金银合金的(200)面，同时电子衍射花样(图4(c)中插图)也证明了其为晶体结构。用选区X射线能量弥散谱仪(SAEDX)探测金银合金纳米颗粒的成分，其结果如图5所示，在样品中探测出Au、Ag、Cu、C四种元素，其中Cu和C分别来自于TEM铜网及铜网上的碳膜，Au、Ag元素则来自纳米颗粒，从能谱的结果可以看出所制备的金银合金纳米颗粒仅含Au、Ag两种元素，不含其他杂质，其中Au元素的含量为28at％，Ag元素的含量为72at％。对图4(b)中区域II进行元素分布探测，图6(a)为Au的元素分布图，图6(b)为Ag的元素分布图，从图中可以看到Au、Ag两种元素均匀的分布在颗粒中，且Au元素的含量低于Ag元素的含量。
Claims (4)
1.一种可控制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
a.利用镀膜技术在表面平整的衬底的表面沉积一层厚度均匀的金属薄膜；
b.将表面沉积好金属薄膜的衬底进行热处理，在惰性气体气氛下升温到所述金属块材熔点的一半至低于所述金属块材熔点100℃之间的任一温度值；
c.关闭惰性气体，通入氢气继续加热，使金属薄膜熔化形成分散的液滴；
d.关闭氢气、停止加热，通入惰性气体降温至室温。
2.根据权利要求1所述的一种可控制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于：步骤b、步骤d所述的惰性气体的气流量为200sccm。
3.根据权利要求1所述的一种可控制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于：所述的惰性气体为Ar气。
4.根据权利要求1所述的一种可控制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于：步骤c所述的继续加热，其时间为30分钟。
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| MEVVA磁过滤等离子技术制备的Fe纳米颗粒薄膜结构. 程国安，刘华平，赵勇，郑瑞廷，梁昌林，陈亮.中国有色金属学报，第15卷第11期. 2005 |
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