CN106958006A - 多元合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法 - Google Patents

多元合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法 Download PDF

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Abstract

多元合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法。本发明公开了非密排的二元以及多元合金球形纳米颗粒有序阵列的制备方法，首先采用气液界面自组装的方法在基底上合成聚合物六方排列紧密接触的单层胶体球阵列；然后在附着有所述单层胶体球晶体阵列的基底上，采用物理气相沉积方法沉积金属A；沉积金属A后，在马弗炉中1100摄氏度左右加热3小时。在上述已处理基底表面，继续采用物理气相沉积方法沉积一种或多种金属B(C)；沉积金属B后，在管式炉中通N2+H2(4％H2)保护气氛，750摄氏度加热3小时后，在基底获得A‑B(A‑B‑C)合金的非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列。实现了简单的物理手段对合金纳米颗粒周期、尺寸的有效控制，得到有序非密排球状纳米合金颗粒阵列。

Description

多元合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法
技术领域
本发明涉及一种二元及多元合金球形纳米颗粒有序阵列及其制备方法，尤其是一种非紧密排列的合金纳米颗粒阵列及其制备方法。
背景技术
纳米颗粒具有十分独特的力学、光学、电学、热力学以及磁学性能，也是下一代器件的构筑单元；如果将不同形状、结构的纳米颗粒在指定的足够大的衬底上，按照一定的方式规则地排列起来，则可构成各种有序纳米结构阵列，这样可使材料的性质具有很好的稳定性和均一性，纳米结构阵列既具有纳米颗粒的独特性质，而且，由于颗粒之间的耦合作用，还可能具有组成单元(纳米颗粒)所不具有的新效应、新性质。这种有序纳米结构阵列，可促进纳米结构单元在纳米器件组装中的应用，有利于其进一步器件化。
双元以及多元金属(Au，Ag，Cu，Pt等)纳米颗粒，由于其组成、结构等具有极大的可调性，展现出优于单元金属纳米颗粒独特的物理化学性质，在催化、化学传感、生物医药、光电子器件等领域均具有广泛的应用前景。多元合金纳米颗粒的诸多优异性能与其元素组成、尺寸和颗粒分布、形貌密切相关。目前制备合金纳米颗粒的方法主要有溶液还原法、水热溶剂热法、溶胶凝胶法、电化学还原法等液相共还原合成方法。尽管报道较多，但仍然有些问题有待解决：第一，合金纳米颗粒合成主要采用溶剂热法或者液相生长法，得到的纳米颗粒一般成片状，星形以及多面体形状，很难直接在溶液中生长成球形；第二，合金纳米颗粒粒径分布范围较宽，难以做到尺寸均一，成单分散性；第三，采用自组装方法将颗粒组装成膜只能得到紧密排列的阵列，颗粒之间的距离无法控制；并且阵列和基底结合不牢固，这就大大限制了合金纳米颗粒阵列在光电子器件方面的应用；第四，合金纳米颗粒的尺寸受多种因素制约、调控比较困难。因此，在合成技术上，发展一种简单易行的方法，实现合金纳米颗粒的有效控制，获得由单分散合金纳米颗粒组成的非紧密排列的有序阵列结构，显得尤为重要。很显然，现有技术的缺陷严重制约着合金纳米结构材料的进一步应用，而发展合金球形纳米颗粒阵列的材料及其制备方法成为克服现有技术缺陷的一种重要手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易行、高效实用的二元及多元合金非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的二元及多元合金非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列的制备方法，包括步骤：
首先，采用自组织方法在基底上合成六方排列紧密接触的聚合物单层胶体球晶体阵列；
然后，在附着有所述聚合物单层胶体球晶体阵列的基底上，采用物理沉积方法沉积金属A；
沉积金属A后，在马弗炉中900至1100摄氏度加热0.2至4小时后，即可在基底获得金属A非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列；
然后，在样品表面继续物理沉积方法沉积金属B；
沉积金属B后，在管式炉中(N2+H2保护气氛)600至800摄氏度加热0.5至3小时，即可在基底获得A-B合金非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列；
然后，在样品表面继续物理沉积方法沉积金属C；
沉积金属C后，在管式炉中(N2+H2保护气氛)600至800摄氏度加热0.5至3小时，即可在基底获得A-B-C合金非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列；
所述聚合物单层胶体球晶体阵列中胶体球尺寸为200纳米至2000纳米；
所述物理沉积方法沉积的金属厚度为10纳米至400纳米；
所述的金属非紧密排列球形纳米颗粒阵列中金属纳米颗粒尺寸在40纳米到1500纳米；
所述的有序合金非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列中阵列周期在200纳米至2000纳米。
为了达到更好的技术效果：
所述的聚合物为聚苯乙烯；
所述金属A、B、C选自以下任一种：Au、Ag、Cu、Pt、Ni、Fe、Cr、Al。沉积顺序：依照熔点从高到低依次沉积。
沉积金属A后，在马弗炉中1100摄氏度加热2小时；
在管式炉中(N2+H2保护气氛)750摄氏度加热3小时。
所述物理沉积方法包括磁控溅射沉积、热蒸发沉积或者电子束蒸发沉积。
采用上述同样方式，即可获得非紧密排列的球形多元合金纳米颗粒有序阵列。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法，通过简单易行的物理手段实现了对合金纳米颗粒的有效控制，获得由非紧密排列的单分散合金纳米颗粒的有序阵列结构。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
其一：实现了单一金属到多元合金的转变；
其二：有序颗粒阵列中的合金纳米颗粒呈现球形，并且尺寸均一；
其三：颗粒阵列呈现非紧密的六方排列；
其四：该颗粒阵列与基底上结合具有很好的强度，保证了颗粒阵列在各个应用领域中的高稳定性；
其五：合金球形纳米颗粒阵列的周期，可通过单层胶体球晶体中胶体球尺寸来控制；合金纳米颗粒的尺寸可以用物理沉积金属的厚度调控；
其六：制备过程中用料少，无污染，属绿色合成技术，且生产效率高，适于大规模的工业化生产。
其七：在保护性气氛中热处理，大大降低了合金颗粒的氧化。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法的流程示意图(以Au-Ag合金为例)。
图2为本发明实施例中1100摄氏度退火3小时，在形成的Au纳米颗粒阵列的样品表面沉积一定厚度的Ag，750摄氏度退火3小时，得到Au-Ag合金纳米颗粒阵列扫描电镜照片，胶体球直径：500纳米。
图3为本发明实施例中1100摄氏度退火3小时，在形成的Au纳米颗粒阵列的样品表面沉积一定厚度的Cu，750摄氏度退火3小时，得到Au-Cu合金纳米颗粒阵列扫描电镜照片，胶体球直径：500纳米。
图4为本发明实施例中1100摄氏度退火3小时，在形成的Au纳米颗粒阵列的样品表面沉积一定厚度的Ag和Cu，750摄氏度退火3小时，得到Au-Ag-Cu合金纳米颗粒阵列扫描电镜照片，胶体球直径：500纳米。
图5为本发明实施例中样品的元素线扫描能谱图(EDS)，证明图中的纳米颗粒组分为Au-Ag合金。
图6为本发明实施例中样品的元素线扫描能谱图(EDS)，证明图中的纳米颗粒成分为Au-Cu合金。
图7为本发明实施例中样品的元素线扫描能谱图(EDS)，证明图中的纳米颗粒成分为Au-Ag-Cu合金。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
基底为硅片、石英片等。
实施例1 Au-Ag Au-Ag-Cu合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列
如图1所示：
步骤1，采用气液界面自组装方法在基底上合成大面积(平方厘米级)的聚合物聚苯乙烯六方排列紧密接触单层胶体球晶体阵列。
步骤2，在附着有单层胶体球晶体阵列的基底上，采用物理气相沉积方法，如磁控溅射、热蒸发或者电子束蒸发的方法沉积Au。
步骤3，沉积Au后，将样品放在马弗炉中升温至1100摄氏度左右加热3小时左右后，即可在基底获得Au球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列，周期可通过胶体球直径来调控。
步骤4，在上述样品表面，采用物理沉积方法，沉积Ag。
步骤5，沉积Ag后，将样品放在管式炉(N2+H2保护气氛)中750摄氏度左右加热3小时左右，即可在基底获得Au-Ag合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列。见图2及图5，胶体球直径：500纳米。
步骤6，在上述样品表面，采用物理沉积方法，沉积Cu。
步骤7，沉积Cu后，将样品放在管式炉(N2+H2保护气氛)中750摄氏度左右加热3小时左右，即可在基底获得洁净、高纯的Au-Ag-Cu合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列，该颗粒阵列与基底上结合具有很好的强度。见图4及图7，胶体球直径：500纳米。
实施例2 Au-Cu Au-Cu-Ag合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列
如图1所示：
步骤1，采用气液界面自组装方法在基底上合成大面积(平方厘米级)的聚合物聚苯乙烯六方排列紧密接触单层胶体球晶体阵列；
步骤2，在附着有单层胶体球晶体阵列的基底上，采用物理气相沉积方法，如磁控溅射、热蒸发或者电子束蒸发的方法沉积Au；
步骤3，沉积金后，将样品放在马弗炉中升温至1100摄氏度左右加热3小时左右后，即可在基底获得金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列；
步骤4，在上述样品表面，采用物理沉积方法，沉积Cu；
步骤5，沉积Cu后，将样品放在管式炉(N2+H2保护气氛)中750摄氏度左右加热3小时左右，即可在基底获得Au-Cu合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列。见图3及图6，胶体球直径：500纳米。
步骤6，在上述样品表面，采用物理沉积方法，沉积Ag。
步骤7，沉积Ag后，将样品放在管式炉(N2+H2保护气氛)中750摄氏度左右加热3小时左右，即可在基底获得Au-Cu-Ag合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列。
实施例3 Au-Pt Au-Pt-Al合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列
步骤1，采用气液界面自组装方法在基底上合成大面积(平方厘米级)的聚合物聚苯乙烯六方排列紧密接触单层胶体球晶体阵列；
步骤2，在附着有单层胶体球晶体阵列的基底上，采用物理气相沉积方法，如磁控溅射、热蒸发或者电子束蒸发的方法沉积Au；
步骤3，沉积金后，将样品放在马弗炉中升温至1100摄氏度左右加热3小时左右后，即可在基底获得金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列；
步骤4，在上述样品表面，采用物理沉积方法，沉积Pt；
步骤5，沉积Pt后，将样品放在管式炉(N2+H2保护气氛)中750摄氏度左右加热3小时左右，即可在基底获得Au-Pt合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列。
步骤6，在上述样品表面，采用物理沉积方法，沉积Al。
步骤7，沉积Al后，将样品放在管式炉(N2+H2保护气氛)中750摄氏度左右加热3小时左右，即可在基底获得Au-Pt-Al合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列。
实施例4 其他组合合金球形纳米颗粒非紧密排列有序阵列
同样，依据上述实施例所述步骤，可以制备Au-Ni，Au-Ag-Ni，Au-Pt，Au-Pt-Fe，Au-Cr，Au-Cr-Al等二元或三元合金颗粒阵列。除沉积顺序不同外，其余步骤同实施例1。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.两种或多种金属合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法，其特征在于，包括步骤：
首先，采用自组织方法在基底上合成六方排列紧密接触的聚合物单层胶体球晶体阵列；
然后，在附着有所述聚合物单层胶体球晶体阵列的基底上，采用物理沉积方法沉积金属A；
沉积金属A后，在马弗炉中900至1100摄氏度加热0.2至4小时后，即可在基底获得金属A非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列；
然后，在样品表面继续物理沉积方法沉积金属B；
沉积金属B后，在管式炉中(N2+H2保护气氛)600至800摄氏度加热0.5至3小时，即可在基底获得A-B合金非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列；
然后，在样品表面继续物理沉积方法沉积金属C；
沉积金属C后，在管式炉中(N2+H2保护气氛)600至800摄氏度加热0.5至3小时，即可在基底获得A-B-C合金非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列；
所述聚合物单层胶体球晶体阵列中胶体球尺寸为200纳米至2000纳米；
所述物理沉积方法沉积的金属厚度为10纳米至400纳米；
所述的金属非紧密排列球形纳米颗粒阵列中金属纳米颗粒尺寸在40纳米到1500纳米；
所述的有序合金非紧密排列球形纳米颗粒有序阵列中阵列周期在200纳米至2000纳米。
2.根据权利要求1所述的两种或多种金属合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法，其特征在于：
所述的聚合物为聚苯乙烯；
所述金属A、B、C选自以下任一种：Au、Ag、Cu、Pt、Ni、Fe、Cr、Al；
沉积金属A后，在马弗炉中1100摄氏度加热2小时；
在管式炉中(N2+H2保护气氛)750摄氏度加热3小时。
3.根据权利要求1所述的两种或多种金属合金非紧密排列球形纳米颗粒阵列的制备方法，其特征在于，所述物理沉积方法包括磁控溅射沉积、热蒸发沉积或者电子束蒸发沉积。
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