CN104651776B - 一种制备独立的金属纳米带的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备独立的金属纳米带的方法，涉及纳米材料制备技术领域，该方法先利用草酸等模板溶液在单晶硅片或单晶氧化铝片等结晶基体上结晶生成条状模板，再采用真空镀膜工艺将金属镀到条状模板上，然后将条状模板用溶剂溶解去除，从而得到独立的金属纳米带。本发明工艺简单，适合多种金属纳米带的制备，且所制备的金属纳米带的厚度可控，所需设备低廉，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种独立金属纳米带的制备方法，所制备的金属纳米带可用于制备微米/纳米器件的金属电极，或作为研究纳米材料性能的样品。
背景技术
一维的金属纳米结构，如纳米线，纳米棒，纳米管或纳米带，是制备纳米器件的关键部件。特别是纳米带可作为样品，来研究尺寸限制的运输现象；也可用于制备沿纳米带方向的功能器件，包括用于电学、化学、物理和热学功能器件。
纳米材料具有大的表面积，其性能与块状材料应有很大不同。许多研究者从理论上研究纳米带的性能，不过实验研究结果数据还很分散，原因之一是所制备的纳米带是在一个支撑基体上。为了从实验上正确的研究金属纳米带的性能，要求制备独立的金属纳米带。有文献报道了一种制备金纳米带的方法：首先，将Fe–Au（2.3.%Au）共析合金凝固成两相片状结构，然后，用选择性溶解过程将Fe相溶解而得到Au纳米带（Ying Chen, SrdjanMilenkovic, Achim Walter Hassel，Thermal stability of {1 1 0} facet terminatedgold nanobelts, Applied Surface Science 258，2012，6224– 6231）。该方法虽然制备出了独立的金纳米带，但是其制备工艺复杂，需在高温熔炼Fe–Au2.3.%Au共析合金，并对合金成分要求严格，且只能制备单一品种的金纳米带，不适合其他金属纳米带的制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备独立的金属纳米带的方法，其工艺简单，适合多种金属纳米带的制备，且所制备的金属纳米带的厚度可控，所需设备低廉，制备成本低。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种制备独立的金属纳米带的方法，该方法先利用模板溶液在结晶基体上结晶生成条状模板，再采用真空镀膜工艺将金属镀到条状模板上，然后将条状模板用溶剂溶解去除，从而得到独立的金属纳米带。
所述的模板溶液可采用草酸的水或酒精溶液，或者其他室温下为固态弱酸的溶液，如柠檬酸、山梨酸、酒石酸或者丁二酸的水或者乙醇溶液。所述的结晶基体为不与所述模板溶液起明显化学反应的单晶材料，如单晶硅片或者单晶氧化铝片等。条状结晶物模板形成的原理是：当模板溶液的溶剂挥发时，作为溶质的固态弱酸从其溶液中结晶，结晶基体采用单晶材料，这样，为降低能量，结晶的固态弱酸与基体间有一定的位向关系而形成条状固态弱酸，得到模板。
模板溶液以草酸溶液为例，本发明的方法具体包括如下步骤：
（1）、将草酸溶于水或者酒精中得草酸溶液，草酸溶液的质量浓度为5%至过饱和。
（2）、将结晶基体（即单晶硅片或者单晶氧化铝片）放入丙酮中超声波清洗，取出后用无水酒精冲洗干净，将清洗干净的结晶基体放入草酸溶液10分钟到5天后，取出自然晾干，则在结晶基体上得到条状草酸。
（3）、以结晶基体上得到的条状草酸为模板，在真空中镀金属。真空中镀金属的方法可以是磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发等。
（4）、将草酸模板上镀有金属的结晶基体放入水、乙醇或者其他可溶解草酸的各种溶剂中，溶解掉草酸模板，从而得到独立的金属纳米带。
本发明的方法，原理上适合所有金属的纳米带的制备，技术上，采用真空中镀金属的方法（包括磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发）能镀上的金属都可以。由于金属膜很薄，有些金属很容易氧化，很快被氧化成氧化物，所以本发明制备金属纳米带的金属最好为贵金属，如金、银、铂，其通常不与氧反应。
有益效果：本发明是以结晶物为模板，采用真空镀膜技术将金属镀到结晶物模板上，并通过将模板溶解而得到独立的金属纳米带。采用结晶物为模板克服了在普通基体上镀膜后金属膜很难从基体上脱落的问题，即得不到独立的金属纳米带的问题。
本发明制备的独立金属纳米带可用于制备微米/纳米器件的金属电极，或作为研究纳米材料性能的样品。本发明制备的金属纳米带的厚度可由真空镀膜工艺进行控制，且具有制备温度低，所需设备价格低廉，成本低，工艺简单，易于控制生产条件等优点。
附图说明
图1为实施例1中使用的商用草酸粉末扫描电镜（SEM）照片。
图2为实施例1中在单晶硅片侧面生长的草酸模板的扫描电镜（SEM）照片。
图3为实施例1中在单晶硅片表面生长的草酸模板的扫描电镜（SEM）照片。
图4为实施例1中所得的纳米金带透射电镜（TEM）的形貌照片。
图5为图4中纳米金带在高倍TEM下的形貌像。
图6为实施例1中所得的纳米金带的TEM衍射像。
图7为实施例2中在单晶硅片上生长的草酸模板的扫描电镜（SEM）照片。
具体实施方式
实施例1
草酸溶液的配制：用电子天平称取5g固体草酸放入小烧杯中，然后量取95ml的去离子水加入到烧杯中，用玻璃棒搅拌至固体消失，即得浓度为5%的草酸的水溶液。
清洗单晶硅片：将切好的单晶硅片放入烧杯中，加入丙酮，超声波清洗5分钟，取出后用无水酒精冲洗干净，使其自然晾干。
在单晶硅片上生长草酸模板：取适当大小的反应皿，倒入配制好的质量浓度为5%的草酸溶液，将清洗后晾干的单晶硅片放入草酸溶液中，10分钟后取出，自然晾干，即可在单晶硅片上得到条状草酸。将草酸粉末放单晶硅片上，用扫描电镜(SEM)观察草酸粉末的形貌，见图1，草酸粉末的尺寸在100~300μm。用扫描电镜(SEM)观察单晶硅片上生长的草酸模板，结果见图2和图3。图2为在单晶硅片侧面上生长的草酸模板，尺寸为5-25μm宽、100~150μm长，图3为在单晶硅片表面生长的草酸模板，其尺寸较小，宽度为1-2μm、长度为5~15μm。
在单晶硅片上生长的草酸模板上镀金膜：将单晶硅片上生长的草酸模板在真空下磁控溅射喷金30秒，然后将试样放在酒精溶液中将草酸模板溶解，从而得到独立的金纳米带。
将独立的金纳米带在超声机中搅拌10分钟，使金纳米带从单晶硅片上脱落，并用透射电镜（TEM）进行观察。图4为TEM观察的金纳米带形貌图，可以看出带的边缘因薄而卷曲。图5为TEM高倍像，可以看出金纳米带由晶粒尺寸为50纳米的纳米晶组成。图6为金纳米带TEM衍射图，图中的衍射环对应于PDF卡片(65-2870)金的面心立方晶体结构，能够标定为金的(111), (200), (220), (311) (222), (331)晶面。
实施例2
草酸溶液的配制：以酒精为溶剂，配制浓度为10%的草酸的酒精溶液。
清洗单晶氧化铝片：将单晶氧化铝片放入烧杯中，加入丙酮，超声波清洗5分钟，取出后用无水酒精冲洗干净，使其自然晾干。
在单晶氧化铝片上生长草酸模板：取适当大小的反应皿，倒入配制好的质量浓度为10%的草酸酒精溶液，将清洗后晾干的单晶氧化铝片放入草酸溶液中，五天后取出，自然晾干，即可在单晶氧化铝片上得到条状草酸。所得到的条状草酸模板的形貌见图7。
在单晶氧化铝基体上生长的草酸模板上镀银膜：将单晶氧化铝片上生长的草酸模板在真空下磁控溅射喷银50秒，然后将试样放在酒精溶液中将草酸模板溶解在溶液中，从而得到独立的银纳米带。
实施例3
柠檬酸溶液的配制：查找柠檬酸的溶解度数据，用去离子水配制柠檬酸在室温下的过饱和溶液。
清洗单晶硅片：将切好的单晶硅片放入烧杯中，加入丙酮，超声波清洗5分钟，取出后用无水酒精冲洗干净，使其自然晾干。
在单晶硅片上生长柠檬酸模板：取适当大小的反应皿，倒入配制好的柠檬酸过饱和溶液，将清洗后晾干的单晶硅片放入柠檬酸过饱和溶液中，1小时后取出，自然晾干，即可在单晶硅片上得到条状柠檬酸。
在单晶硅片上生长的柠檬酸模板上镀铂膜：将单晶硅片上生长的柠檬酸模板在真空下磁控溅射喷铂50秒，然后将试样放在水中将柠檬酸模板溶解，从而得到独立的铂纳米带。
Claims (6)
1.一种制备独立的金属纳米带的方法，其特征在于：先利用模板溶液在结晶基体上结晶生成条状模板，再采用真空镀膜工艺将金属镀到条状模板上，然后将条状模板用溶剂溶解去除，从而得到独立的金属纳米带；所述模板溶液的溶质为室温下呈固态的弱酸，所述结晶基体为单晶材料。
2.如权利要求1所述的一种制备独立的金属纳米带的方法，其特征在于：所述的模板溶液为草酸、柠檬酸、山梨酸、酒石酸或者丁二酸的水或酒精溶液，所述的结晶基体为单晶硅片或单晶氧化铝片。
3.如权利要求2所述的一种制备独立的金属纳米带的方法，其特征在于：所述条状模板的生成方法为：将所述结晶基体先后用丙酮、无水酒精清洗干净后，将其放入模板溶液内，放置10分钟~5天后，取出自然晾干，即可在结晶基体上得到条状模板。
4.如权利要求2所述的一种制备独立的金属纳米带的方法，其特征在于：所述模板溶液的质量浓度为5%至过饱和。
5.如权利要求2所述的一种制备独立的金属纳米带的方法，其特征在于：在所述条状模板上完成真空镀膜工艺后，条状模板采用水或乙醇溶解去除。
6.如权利要求1所述的一种制备独立的金属纳米带的方法，其特征在于：所述真空镀膜工艺采用磁控溅射、热蒸发或者电子束蒸发方法。
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