CN106021938A - 一种Ag2Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，按如下步骤：一、计算模型建立Ag微粒与Ga微粒发生化学反应生成Ag₂Ga，用方程2Ag+Ga＝Ag₂Ga表示，在整个计算模型中存在着三个密度场变量，定义Ag微粒为c₁(x,y,z,t)，Ag₂Ga纳米针为c₂(x,y,z,t)，Ga微粒为c₃(x,y,z,t)，c₁为Ag微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比，c₂为Ag₂Ga微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比，c₃为Ga微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比；该计算模型自由能主要由化学能和梯度能组成，用如下方程表示：

其中，F_ch表示化学能量变化，F_grad表示梯度能量变化；二、通过改变材料的表面能来探究纳米针尖端形貌变化的作用规律，控制不同材料纳米针尖端形貌变化。

Description

一种Ag2Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法

技术领域

本发明属于纳米材料研究技术领域，具体涉及Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制方法的研究。

背景技术

纳米针作为一维的纳米材料所具有的表面效应、小尺寸效应和量子隧道效应等宏观纳米材料所不具有的特有功能，以及纤维状特有的长径比及柔性，使得纳米针在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质显著提高。因此，纳米针的应用越来越广泛，也越来越受到关注，市场对纳米针的需求也越多来越大。例如，纳米针由于巨大的表面积、高的表面活性、对周围环境的敏感性使其在催化和传感器方面前途光明。再如，纳米针由于其较大的长径比和其尖端形貌使得纳米针能都利用其穿刺功能向细胞注射药物，或者在生物细胞内安装微传感器。

近十年来，国内外报道了大量的纳米针制备方法的研究。但是，这些报道采用的都是一些传统的纳米针制备方法，这些方法存在加工成形难以控制、实验材料浪费的缺点。此外，利用传统的加工方法制备出的纳米针长径比较小，纳米针尖端形态难以控制。由于在不同的应用场合对纳米针的尖端形貌要求不同，从而开发品质更优，直径更细长径比更高，尖端形貌多样性的纳米针具有更大的产业价值和商业价值。

发明内容

基于上述现状，本发明公开一种Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法。

本发明Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，建立纳米针尖端形貌控制的计算方程；通过探究Ag₂Ga纳米针尖端形貌变化规律，提出一种纳米针尖端形貌变化研究控制的新思路。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：一种Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，按如下步骤：

一、计算模型建立

Ag微粒与Ga微粒发生化学反应生成Ag₂Ga，用方程2Ag+Ga＝Ag₂Ga表示，在整个计算模 型中存在着三个密度场变量，定义Ag微粒为c₁(x,y,z,t)，Ag₂Ga纳米针为c₂(x,y,z,t)，Ga微粒为c₃(x,y,z,t)，c₁为Ag微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比，c₂为Ag₂Ga微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比，c₃为Ga微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比；

该计算模型自由能主要由化学能和梯度能组成，用如下方程表示：

$G=\underset{v}{\∫}\{F_{ch}+F_{grad}\}dV---\left(1\right)$

其中，F_ch表示化学能量变化，F_grad表示梯度能量变化；

二、通过改变材料的表面能来探究纳米针尖端形貌变化的作用规律，控制不同材料纳米针尖端形貌变化。

所述Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，步骤一：c₁、c₂、c₃的密度场变量通过Cahn-Hilliard非线性扩散方程决定，结合量守恒关系，得到如下控制方程：

$\frac{\∂c_1}{{\∂}_t}=\−\▿(\−M_1\▿{\mathrm{\μ}}_1\+{M\mathrm{\β}}_{\text{\ }1}\▿\mathrm{\φ})\−{\mathrm{vc}}_1{c}_1\text{\  \ \ }\left(2\right)$

$\frac{\&\#8706;c_3}{{\&\#8706;}_t}=\−\▿(\−M_3\▿{\mathrm{\μ}}_3)\−{\mathrm{vc}}_2{c}_1\text{\ \ }\left(4\right)$

其中，v₁是c₁的反应速率，v₂是c₃的反应速率，β是灵敏度系数；θ是关于Ag生成Ag₂Ga的速率的系数；是关于Ga生成Ag₂Ga的速率的系数；μ₁、μ₂、μ₃分别表示Ag、Ag₂Ga、Ga的化学势，用如下方程式表示；

$u_1=\∂G/\∂c_1---\left(5\right)$

$u_2=\∂G/\∂c_2---\left(6\right)$

$u_3=\∂G/\∂c_3---\left(7\right).$

所述Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，步骤二：表面能的改变会造成梯度能的改变，根据自由能方程(1)和化学势方程(5)、(6)、(7)可知，梯度能改变会改变化学势的大小，由控制方程(2)、(3)、(4)看出，化学势大小会直接影响纳米针的形成，因此，对最后形成的纳米针尖端形貌会有一定的影响作用；所以，通过探究不同的表面能对纳米针尖端形貌变化的作用规律，达到控制不同纳米尖端形貌变化的目的；

定义

${\mathrm{ch}}^2=h/L_c^2{f}_0$

上式中，ch表示材料的表面能系数，h表示梯度能的系数，L_c表示纳米针特征长度，f₀表示材料常量。

所述Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，取三组不同的表面能系数分别是ch＝1.0、ch＝0.95、ch＝1.05，将一定微粒浓度比的Ag和Ga在室温下利用之间的化学反应来模拟不同材料表面能系数的纳米针尖端形貌变化；经过模拟时间t，对纳米针一端施加驱动力并保持速度v匀速将纳米针拔出；当ch＝0.95，材料的表面能较低，梯度能降低，微粒间的扩散缓慢，反应物的微粒吸附在生成的纳米针上，此时，纳米针尖端没有脱离反应物；当ch＝1.0，材料的表面能增加，自由能也增加，微粒之间正常扩散，此时生成的纳米针尖端脱离反应物，并且生成的尖端较细、较尖锐；当ch＝1.05，材料表面能较大，自由能也较大，因此，微粒扩散速度过快，此时生成的纳米针脱离材料，并且纳米针的尖端较粗、较圆滑。

本发明利用微观粒子Ag与Ga之间的化学反应，基于相场模型建立起一种纳米针尖端形貌控制研究的计算方程；利用仿真模型模拟，通过改变表面能的作用影响来揭示纳米针尖端形貌变化规律，去探求其它纳米材料在加工过程中的尖端形态变化特性。

与现有技术相比，本发明Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法具有以下技术特点：

1.在探索Ag₂Ga纳米针尖端形态变化规律基础上，提出其它纳米材料形态变化规律的新猜想。

2.基于连续的相场模型，不需要显示跟踪界面的位置，大大降低了计算的复杂性。

3.利用计算模型模拟，可以通过改变某一变量参数多次模拟，进而得到的效果更优。

附图说明

图1为Ag和Ga形成Ag₂Ga纳米针的示意图。

图2为Ag₂Ga纳米针的成形及拔出过程的简单示意图。

图3为不同材料表面能系数对纳米针尖端形貌变化影响的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此仅显示对本发明有关的构成。

本实施例Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，按如下步骤：

计算模型建立

由于Ag微粒与Ga微粒发生化学反应生成Ag₂Ga，可用方程2Ag+Ga＝Ag₂Ga表示，因此，在整个计算模型中存在着3个密度场变量，定义Ag微粒为c₁(x,y,z,t),Ag₂Ga纳米针为c₂(x,y,z,t)，Ga微粒为c₃(x,y,z,t),空气相在此系统不予以考虑，c₁为Ag微粒的浓度占系统总的微粒浓度的百分比，c₂为Ag₂Ga微粒的浓度占系统总的微粒浓度的百分比，c₃为Ga微粒的浓度占系统总的微粒浓度的百分比。

该计算模型自由能主要由化学能和梯度能组成，可用如下方程表示：

$G=\underset{v}{\∫}\{F_{ch}+F_{grad}\}dV---\left(1\right)$

其中，v为系统成分相的体积、dV求积分；F_ch表示的是系统的化学能量变化，F_grad表示的是系统的梯度能量变化。

c₁、c₂、c₃的密度场变量通过Cahn-Hilliard非线性扩散方程决定，结合量守恒关系，得到如下控制方程：

$\frac{\&\#8706;c_1}{{\&\#8706;}_t}=\−\▿(\−M_1\▿{\mathrm{\μ}}_1\+{M\mathrm{\β}}_1\▿\mathrm{\φ})\−{\mathrm{vc}}_1{c}_1\left(2\right)$

$\frac{\&\#8706;c_3}{{\&\#8706;}_t}=\−\▿(\−M_3\▿{\mathrm{\μ}}_3)\−{\mathrm{vc}}_2{c}_1\text{\  \  \ }\left(4\right)$

其中，v₁是c₁的反应速率，v₂是c₃的反应速率，β是灵敏度系数；θ是关于Ag生成Ag₂Ga的速率的系数；是关于Ga生成Ag₂Ga的速率的系数；μ₁、μ₂、μ₃分别表示的是Ag，Ag₂Ga和Ga的化学势，可用如下方程式表示。

$u_1=\∂G/\∂c_1---\left(5\right)$

$u_2=\∂G/\∂c_2---\left(6\right)$

$u_3=\∂G/\∂c_3---\left(7\right)$

通过改变材料的表面能来探究纳米针尖端形貌变化的作用规律，控制不同材料纳米针尖端形貌变化。

系统表面能的改变会造成梯度能的改变，根据自由能方程(1)和化学势方程(5)、(6)、(7)可知，系统梯度能改变会改变化学势的大小，由控制方程(2)、(3)、(4)看出，化学势大小会直接影响纳米针的形成，因此，对最后形成的纳米针尖端形貌会有一定的影响作用。所以，通过探究不同的表面能(在这里，将通过改变材料的表面能系数来改变表面能大小)对纳米针尖端形貌变化的作用规律，达到控制不同纳米尖端形貌变化的目的。

特别地，定义

${\mathrm{ch}}^2=h/L_c^2{f}_0$

这里，ch表示的是材料的表面能系数，h表示的是梯度能的系数，L_c表示的是纳米针特征长度，f₀表示的是材料常量。

操作：取3组不同的表面能系数分别是ch＝1.0、ch＝0.95、ch＝1.05。将一定微粒浓度比的Ag和Ga在室温下利用其之间的化学反应来模拟不同材料表面能系数的纳米针尖端形貌变化。经过模拟时间t，对纳米针一端施加驱动力并保持速度v匀速将纳米针拔出，整个操作过程如图简单示出。如图3所示，当ch＝0.95，材料的表面能较低，系统的梯度能降低，微粒间的扩散缓慢，反应物的微粒吸附在生成的纳米针上，此时，纳米针尖端没有脱离反应物，如图3a所示；当ch＝1.0，材料的表面能增加，系统的自由能也增加，微粒之间正常扩散，此时生成的纳米针尖端脱离反应物，并且生成的尖端较细、较尖锐，如图3b所示；当ch＝1.05，材料表面能较大，系统的自由能也较大，因此微粒扩散速度过快，此时生成的纳米针脱离材料，并且纳米针的尖端较粗、较圆滑，如图3c所示。

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，其特征是按如下步骤：

一、计算模型建立

Ag微粒与Ga微粒发生化学反应生成Ag₂Ga，用方程2Ag+Ga＝Ag₂Ga表示，在整个计算模型中存在着三个密度场变量，定义Ag微粒为c₁(x,y,z,t)，Ag₂Ga纳米针为c₂(x,y,z,t)，Ga微粒为c₃(x,y,z,t)，c₁为Ag微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比，c₂为Ag₂Ga微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比，c₃为Ga微粒的浓度占总的微粒浓度的百分比；

该计算模型自由能主要由化学能和梯度能组成，用如下方程表示：

其中，F_ch表示化学能量变化，F_grad表示梯度能量变化；

二、通过改变材料的表面能来探究纳米针尖端形貌变化的作用规律，控制不同材料纳米针尖端形貌变化。

2.如权利要求1所述Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，其特征是：

步骤一：c₁、c₂、c₃的密度场变量通过Cahn-Hilliard非线性扩散方程决定，结合量守恒关系，得到如下控制方程：

其中，v₁是c₁的反应速率，v₂是c₃的反应速率，β是灵敏度系数；θ是关于Ag生成Ag₂Ga的速率的系数；是关于Ga生成Ag₂Ga的速率的系数；μ₁、μ₂、μ₃分别表示Ag、Ag₂Ga、Ga的化学势，用如下方程式表示；

3.如权利要求2所述Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，其特征是：

步骤二：表面能的改变会造成梯度能的改变，根据自由能方程(1)和化学势方程(5)、(6)、(7)可知，梯度能改变会改变化学势的大小，由控制方程(2)、(3)、(4)看出，化学势大小会直接影响纳米针的形成，因此，对最后形成的纳米针尖端形貌会有一定的影响作用；所以，通过探究不同的表面能对纳米针尖端形貌变化的作用规律，达到控制不同纳米尖端形貌变化的目的；

定义

上式中，ch表示材料的表面能系数，h表示梯度能的系数，L_c表示纳米针特征长度，f₀表示材料常量。

4.如权利要求2所述Ag₂Ga纳米针成型机理及尖端形貌控制研究方法，其特征是：取三组不同的表面能系数分别是ch＝1.0、ch＝0.95、ch＝1.05，将一定微粒浓度比的Ag和Ga在室温下利用之间的化学反应来模拟不同材料表面能系数的纳米针尖端形貌变化；经过模拟时间t，对纳米针一端施加驱动力并保持速度v匀速将纳米针拔出；当ch＝0.95，材料的表面能较低，梯度能降低，微粒间的扩散缓慢，反应物的微粒吸附在生成的纳米针上，此时，纳米针尖端没有脱离反应物；当ch＝1.0，材料的表面能增加，自由能也增加，微粒之间正常扩散，此时生成的纳米针尖端脱离反应物，并且生成的尖端较细、较尖锐；当ch＝1.05，材料表面能较大，自由能也较大，因此，微粒扩散速度过快，此时生成的纳米针脱离材料，并且纳米针的尖端较粗、较圆滑。