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1、关于纳米微粒制备气相法(2)第一页，讲稿共五十五页哦纳纳米米粒粒子子制制备备方方法法气相法气相法液相法液相法沉淀法沉淀法金属醇盐水解法金属醇盐水解法微乳液发微乳液发水热法水热法溶胶凝胶法溶胶凝胶法冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾法喷雾法辐射合成法辐射合成法低压气体中蒸发法低压气体中蒸发法氢电弧等离子体法氢电弧等离子体法溅射法溅射法流动液面真空镀膜法流动液面真空镀膜法混合等离子体法混合等离子体法爆炸丝法爆炸丝法化学气相反应法化学气相反应法共沉淀法共沉淀法化合物沉淀法化合物沉淀法纳纳米米粒粒子子合合成成方方法法分分类类固相法固相法粉碎法粉碎法热分解法热分解法其它方法其它方法固相反应法固相反应法第二页，讲稿
2、共五十五页哦4.1纳米微粒的气相制备低压气体中蒸发法(气体冷凝法)活性氢熔融金属反应法 溅射法 流动液面上真空蒸度法 电加热蒸发法 混合等离子法 爆炸丝法 气相化学反应法第三页，讲稿共五十五页哦4.1.1低压气体中蒸发法(气体冷凝法)在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成纳米粒(11000nm)或纳米微粒.20世纪80年代初，Gleiter等人首先提出，将气体冷凝法制得具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件下紧压致密得到多晶体(纳米微晶).第四页，讲稿共五十五页哦4.1.1低压气体中蒸发法(气体冷凝法)在超高真空室内进行,通过分子涡轮泵使其达到0.1Pa以上的真空度，然后充人低压(
3、约2kPa)的纯净惰性气体(He或Ar，纯度为99996)。在蒸发过程中，由原物质发出的原子由于与惰性气体原子碰撞而迅速损失能量而冷却，这种有效的冷却过程在原物质蒸气中造成很高的局域过饱和，这将导致均匀的成核抽气液氮第五页，讲稿共五十五页哦4.1.1低压气体中蒸发法(气体冷凝法)在接近冷却棒的过程中，在接近冷却棒的过程中，原物质蒸气首先形成原原物质蒸气首先形成原子簇，然后形成单个纳米子簇，然后形成单个纳米微粒微粒 在接近冷却棒表面的在接近冷却棒表面的区域内，由于单个纳米区域内，由于单个纳米微粒的聚合而长大，最微粒的聚合而长大，最后在冷却棒表面上积聚后在冷却棒表面上积聚起来起来 用聚四氟乙烯刮刀
4、刮用聚四氟乙烯刮刀刮下并收集起来获得纳米粉下并收集起来获得纳米粉抽气液氮第六页，讲稿共五十五页哦纳米粒子尺寸的影响因素纳米粒子尺寸的影响因素通过调节惰性气体压力，蒸发物质的分压即蒸发温度或速率，通过调节惰性气体压力，蒸发物质的分压即蒸发温度或速率，或惰性气体的温度，来控制纳米微粒粒径的大小。或惰性气体的温度，来控制纳米微粒粒径的大小。随蒸发速率的增加随蒸发速率的增加(等效于蒸发源温度的升高等效于蒸发源温度的升高)粒子变大，或随着原粒子变大，或随着原物质蒸气压力的增加，粒子变大在一级近似下，粒子大小正物质蒸气压力的增加，粒子变大在一级近似下，粒子大小正比于比于lnPv(pv为金属蒸气的压力为金属
5、蒸气的压力);随惰性气体压力的增大，粒子近似地成比例增大随惰性气体压力的增大，粒子近似地成比例增大;大原子质量的惰性气体将导致粒子变大；大原子质量的惰性气体将导致粒子变大；惰性气体温度下降将导致粒子减小。惰性气体温度下降将导致粒子减小。第七页，讲稿共五十五页哦第八页，讲稿共五十五页哦蒸发源的加热方式电阻加热法；电阻加热法；（工艺简单，成本低，加热温度有限，有（工艺简单，成本低，加热温度有限，有器壁污染）器壁污染）等离子喷射法；等离子喷射法；（功率大，制备速度快，污染小）（功率大，制备速度快，污染小）高频感应法；（热效率高，加热温度有限，有污染）高频感应法；（热效率高，加热温度有限，有污染）电子
6、束法；（加热温度高，污染小，装置复杂，成本高）电子束法；（加热温度高，污染小，装置复杂，成本高）激光法；（温度梯度大，污染小，）激光法；（温度梯度大，污染小，）这些不同的加热方法使得制备出的纳米粒的量、品种、粒径大这些不同的加热方法使得制备出的纳米粒的量、品种、粒径大小及分布等存在一些差别小及分布等存在一些差别第九页，讲稿共五十五页哦1 1）电阻加热电阻加热：(电阻丝)电阻加热法使用的螺旋纤维或者舟状的电阻发热体。如图金属类：如铬镍系，铁铬系，温度可达1300;钼，钨，铂，温度可达1800;非金属类：SiC(1500)，石墨棒(3000)，MoSi2(1700)。第十页，讲稿共五十五页哦第十一
7、页，讲稿共五十五页哦有两种情况不能使用这种方法进行加热和蒸发：两种材料(发热体与蒸发原料)在高温熔融后形成合金。蒸发原料的蒸发温度高于发热体的软化温度。目前使用这一方法主要是进行Ag、Al、Cu、Au等低熔点金属的蒸发。第十二页，讲稿共五十五页哦2 2）等等离离子子体体喷喷射射：电离产生的等离子体气体对原料进行加热。3 3）高高频频感感应应：电磁感应现象产生的热来加热。类似于变压器的热损耗。高频感应加热是利用金属材料在高频交变电磁场中会产生涡流的原理，通过感应的涡流对金属工件内部直接加热，因而不存在加热元件的能量转换过程而无转换效率低的问题；加热电源与工件不接触，因而无传导损耗；加热电源的感应
8、线圈自身发热量极低，不会因过热毁损线圈，工作寿命长；加热温度均匀，加热迅速工作效率高。第十三页，讲稿共五十五页哦4 4）电子束轰击）电子束轰击：利用静电加速器或电子直线加速得到高能电子束，以其轰击材料，使其获得能量，（通过与电子的碰撞）而受热气化。在高真空中使用第十四页，讲稿共五十五页哦5 5）激光加热激光加热：利用大功率激光器的激光束照射子反应物，反应物分子或原子对入射激光光子的强吸收，在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应分子或原子获得化学反应所需要的温度后，迅速完成反应、成核凝聚、生长等过程，从而制得相应物质的纳米微粒。激光能在10-8秒内对任何金属都能产生高密度蒸气，能产生一种定向的
9、高速蒸气流。第十五页，讲稿共五十五页哦4.1.2 活性氢熔融金属反应法定定义义：之之所所以以称称为为氢氢电电弧弧等等离离子子体体法法，主主要要是是用用于于在在制制备备工工艺艺中中使使用用氢氢气气作作为为工工作作气气体体,可可大大幅幅度度提提高高产产量量。其其原原因因被被归归结结为为氢氢原原子子化化合合时时（H H2 2）放放出出大大量量的的热热，从从而而强强制制性性的的蒸蒸发发，使使产产量量提提高，而且氢的存在可以降低熔化金属的表面张力加速蒸发高，而且氢的存在可以降低熔化金属的表面张力加速蒸发。第十六页，讲稿共五十五页哦4.1.2 活性氢熔融金属反应法基本制备过程：基本制备过程：含有氢气的等离
10、子体与金属间产生电弧，使金属熔融，电离的含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，使金属熔融，电离的 N2，Ar等气体和等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成了金属溶入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成了金属的纳米粒子的纳米粒子.用离心收集器、过滤式收集器使微粒与气体分离面获得纳米微粒用离心收集器、过滤式收集器使微粒与气体分离面获得纳米微粒优点是纳米粒子的生成量随等离子气体中的氢气浓度增加而上升优点是纳米粒子的生成量随等离子气体中的氢气浓度增加而上升缺点纳米粒子尺寸难以控制，粒径分散度大缺点纳米粒子尺寸难以控制，粒径分散度大。第十七页，讲稿共五十五页哦4.1.2 活性氢熔融金属反应法
11、第十八页，讲稿共五十五页哦此种制备方法的优点是超微粒的生成量随等离子气体中的氢气浓度增加而上升。例如，Ar气中的H2占50时，电弧电压为3040V，电流为150170 A的情况下每秒钟可获得20 mg的Fe超微粒子。为了制取陶瓷超微粒子，如TiN及AlN，则掺有氢的惰性气体采用N2气，被加热蒸发的金属为Ti及Al等。第十九页，讲稿共五十五页哦产量：以纳米Pd为例，该装置的产率一般可达到300 g/h品种：该方法已经制备出十多种金属纳米粒子；30多种金属合金，氧化物；也有部分氯化物及金属间化物。产物的形貌和结构：用这种方法，制备的金属纳米粒子的平均粒径和制备的条件及材料有关。粒径：一般为几十纳米
12、。如Ni；1060 nm间的粒子所占百分数达约为78%形状：一般为多晶多面体,磁性纳米粒子一般为链状。第二十页，讲稿共五十五页哦4.1.3 溅射法原理、制备过程：原理、制备过程：用用两两块块金金属属板板分分别别作作为为阳阳极极和和阴阴极极，阴阴极极为为蒸蒸发发用用的的材材料料，在在两两电电极极间间充充人人Ar气气(40-250Pa)，两两电电极极间间施施加加的的电电压压范范围围为为0315kV由由于于两两电电极极间间的的辉辉光光放放电电使使Ar离离子子形形成成，在在电电场场的的作作用用下下Ar离离子子冲冲击击阴阴极极靶靶材材表表面面，使使靶靶材材原子从其表面蒸发出来形成纳米粒子，并在附着面上沉
13、积下来。原子从其表面蒸发出来形成纳米粒子，并在附着面上沉积下来。第二十一页，讲稿共五十五页哦粒子的大小及尺寸分布主要取决于粒子的大小及尺寸分布主要取决于两电极间的电压、两电极间的电压、电流电流气体压力气体压力靶靶材材的的表表面面积积愈愈大大，原原子子的的蒸蒸发发速速度度愈愈高高，纳纳米米粒粒的的获获得得量量愈多愈多第二十二页，讲稿共五十五页哦用溅射法制备纳米微粒有以下优点：用溅射法制备纳米微粒有以下优点：(1)可可制制备备多多种种纳纳米米金金属属，包包括括高高熔熔点点和和低低熔熔点点金金属属常常规规的的热热蒸蒸发法只能适用于低熔点金属；发法只能适用于低熔点金属；(2)能能制制备备多多组组元元的
14、的合合金金和和化化合合物物纳纳米米微微粒粒，如如Al52Ti48，Cu91Mn9及及ZrO2等；等；(3)通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。第二十三页，讲稿共五十五页哦溅射方式溅射方式 直流二级溅射直流二级溅射 最简单的直流二级溅射装置。最简单的直流二级溅射装置。它是一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电管结构。被溅它是一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电管结构。被溅射靶射靶(阴极阴极)和成膜的基片及其固定架和成膜的基片及其固定架(阳极阳极)构成溅射装置的两个极。构成溅射装置的两个极。阴极上接阴极上接1-3kV的直流负高压，阳极通常接地。
15、的直流负高压，阳极通常接地。工作时先抽真空，再通工作时先抽真空，再通Ar气，使真空室内达到溅射气压。接气，使真空室内达到溅射气压。接通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的一个等离子区，其中带正电的Ar离子在阴极附近的阴极电位降作离子在阴极附近的阴极电位降作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质表面溅射，并以分子或原子状态沉用下，加速轰击阴极靶，使靶物质表面溅射，并以分子或原子状态沉积在基片表面，形成靶材料的薄膜。积在基片表面，形成靶材料的薄膜。第二十四页，讲稿共五十五页哦优点是结构简单，控制方便。缺点有：在工作
16、压力较高时膜层有沾污；沉积速率低，不能镀l0m以上的膜厚；由于大量二次电子直接轰击基片，使基片升温过高。第二十五页，讲稿共五十五页哦三级和四极溅射。三级和四极溅射。三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极，使它放出热电子三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极，使它放出热电子强化放电，它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制强化放电，它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制更为方便。与二极溅射不同的是，可以在主阀全开的状态下制取更为方便。与二极溅射不同的是，可以在主阀全开的状态下制取高纯度的膜。高纯度的膜。四极溅射又称为等离子弧柱溅射，在原来二极溅射靶和基板垂直的位四极溅射又称为等
17、离子弧柱溅射，在原来二极溅射靶和基板垂直的位置上，分别放置一个发射热电子的灯丝置上，分别放置一个发射热电子的灯丝(热阴极热阴极)和吸引热电子的辅和吸引热电子的辅助阳极，其间形成低电压、大电流的等离子体弧柱，大量电子碰助阳极，其间形成低电压、大电流的等离子体弧柱，大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。撞气体电离，产生大量离子。这种溅射方法沉积速度高，但还是不能抑制由靶产生的高速这种溅射方法沉积速度高，但还是不能抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击。电子对基片的轰击。第二十六页，讲稿共五十五页哦 射频溅射。射频溅射。可以制取从导体到绝缘体任意材料的膜。可以制取从导体到绝缘体任意材料的膜。直流溅射是利用
18、金属、半导体靶制取薄膜的有效方法。当靶是直流溅射是利用金属、半导体靶制取薄膜的有效方法。当靶是绝缘体时由于撞击到靶上的离子会使靶带电，靶的电位上升，结果绝缘体时由于撞击到靶上的离子会使靶带电，靶的电位上升，结果离子不能继续对靶进行轰击。离子不能继续对靶进行轰击。射频是指无线电波发射范围的频率，为了避免干扰电台工作，溅射射频是指无线电波发射范围的频率，为了避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为专用频率规定为 13.56MHz。在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。并使气体电离为等离子体。缺点是大功率的射频电源
19、不仅价高，而且对于人身防护也成缺点是大功率的射频电源不仅价高，而且对于人身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业生产应用。问题。因此，射频溅射不适于工业生产应用。第二十七页，讲稿共五十五页哦 磁控溅射磁控溅射磁控溅射是磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前已在工业生产中应用。前已在工业生产中应用。这是由于磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一这是由于磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级，具有高速、低温、低损伤等优点。个数量级，具有高速、低温、低损伤等优点。第二十八页，讲稿共五十五页哦4.1.4 流动液面上真空蒸度法流动液面上真空蒸度法
20、基本原理基本原理在高真空中蒸发的金属在高真空中蒸发的金属原子在流动的油面内形原子在流动的油面内形成纳米粒子，纳米粒子成纳米粒子，纳米粒子悬浮在高沸点的油中，悬浮在高沸点的油中，需要较复杂的分离才能需要较复杂的分离才能得到纳米微粉。得到纳米微粉。产品一般为含有大量纳产品一般为含有大量纳米微粒的糊状油米微粒的糊状油第二十九页，讲稿共五十五页哦本方法的特点本方法的特点(1)可制备可制备Ag，Au，Pd，Cu，Fe，Ni，Co，Al，In等超细纳米等超细纳米微粒，平均粒径约微粒，平均粒径约 3nm；用隋性气体蒸发法是难获得这样小的微粒；用隋性气体蒸发法是难获得这样小的微粒；(2)粒径均匀，分布窄；粒径
21、均匀，分布窄；(3)纳米粒子分散地分布在油中，化学稳定性好；纳米粒子分散地分布在油中，化学稳定性好；(4)粒径的尺寸可控性好；粒径的尺寸可控性好；通过改变蒸发条件来控制粒径的大小，例如蒸发速度，油的黏度，通过改变蒸发条件来控制粒径的大小，例如蒸发速度，油的黏度，圆盘转速等圆盘转速低，蒸发速度快，油的黏度高均使粒子的粒径圆盘转速等圆盘转速低，蒸发速度快，油的黏度高均使粒子的粒径增大，最大可达增大，最大可达8nm 第三十页，讲稿共五十五页哦4.1.5 通电加热蒸发法通电加热蒸发法主要用于碳化物纳主要用于碳化物纳米粒子的制备米粒子的制备使碳棒与金属相使碳棒与金属相接触，通电加热接触，通电加热使金属熔
22、化，金使金属熔化，金属与高温碳素反属与高温碳素反应并蒸发形成碳应并蒸发形成碳化物纳米颗粒化物纳米颗粒 制备制备Si,Cr，Ti，V，Zr，Hf，Mo，Nb，Ta和和W等碳化物纳米粒子等碳化物纳米粒子 第三十一页，讲稿共五十五页哦4.1.5 通电加热蒸发法通电加热蒸发法棒状碳棒与Si板(蒸发材料)相接触，在蒸发室内充有Ar或He气，压力为l10 KPa，在碳棒与Si板间通交流电(几百安培)，Si板被其下面的加热器加热，随Si板温度上升，电阻下降，电路接通，当碳棒温度达白热程度时，Si板与碳棒相接触的部位熔化。当碳棒温度高于2473 2473 K K时，在它的周围形成了SiC超微粒的“烟”，然后将
23、它们收集起来。第三十二页，讲稿共五十五页哦4.1.5 通电加热蒸发法通电加热蒸发法影响因素：影响因素：1）SiC超微粒的获得量随电流的增大而增多。例如，在400 Pa的Ar气中，当电流为400 A，SiC超微粒的收率为约0.58 g/min。2）惰性气体种类不同超微粒的大小也不同。（与气体冷凝法类似）。He气中形成的SiC为小球形，Ar气中为大颗粒。用此种方法还可以制备Cr，Ti，V，Zr，Mo，Nb，Ta和W等碳化物超微粒子。第三十三页，讲稿共五十五页哦4.1.6 爆炸丝法这种方法适用于工业上连续生产纳米金属、合金和金属氧化物纳米粉体。基基本本原原理理是先将金属丝固定在一个充满惰性气体(5x
24、106 Pa)的反应室中(见图)，丝两端的卡头为两个电极，它们与一个大电容相连接形成回路，加15kV的高压，金属丝在500800 KA电流下进行加热，融断后在电流中断的瞬间，卡头上的高压在融断处放电，使熔融的金属在放电过程中进一步加热变成蒸气，在惰性气体碰撞下形成纳米金属或合金粒子沉降在容器的底部，金属丝可以通过一个供丝系统自动进入两卡头之间，从而使上述过程重复进行。第三十四页，讲稿共五十五页哦第三十五页，讲稿共五十五页哦爆炸丝法可制备易氧化的金属的氧化物纳米粉体两种法来实现：两种法来实现：（1）在惰性气体中充人一些氧气，）在惰性气体中充人一些氧气，（2）将已获得的金属纳米粉进行水热氧化。）将
25、已获得的金属纳米粉进行水热氧化。用这两种方法制备的纳米氧化物有时会呈现不同的形状，例如由前者用这两种方法制备的纳米氧化物有时会呈现不同的形状，例如由前者制备的氧化铝为球形，后者则为针状粒子制备的氧化铝为球形，后者则为针状粒子 第三十六页，讲稿共五十五页哦 4.1.7 气相化学反应法气相化学反应法 气相化学反应法制备纳米粒子是利用气相化学反应法制备纳米粒子是利用挥发性挥发性的金属化合物的蒸气，通过化学反应的金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。气相反应法制备
26、超微粒子具有很多优点，气相反应法制备超微粒子具有很多优点，粒子尺寸分布均匀，粒度小，粒子尺寸分布均匀，粒度小，纯度高，纯度高，分散性好、化学反应性与活性高等。分散性好、化学反应性与活性高等。气相化学反应法适合于制备各类金属、金属化合物以及非金属化合物纳米粒子，如气相化学反应法适合于制备各类金属、金属化合物以及非金属化合物纳米粒子，如各种金属、各种金属、氮化物氮化物、碳化物碳化物、硼化物硼化物等。等。第三十七页，讲稿共五十五页哦 4.1.7气相化学反应法气相化学反应法反应类型可将气相化学反应法分为两类反应类型可将气相化学反应法分为两类气相分解法气相分解法气相合成法气相合成法活化反应物系的方式主要
27、有活化反应物系的方式主要有加热加热（电阻炉加热、化学火焰加热、等离子体加热（电阻炉加热、化学火焰加热、等离子体加热）射线辐照射线辐照（激光诱导、（激光诱导、射线辐射射线辐射、超声波辐射）、超声波辐射）第三十八页，讲稿共五十五页哦（1）气相分解法）气相分解法 气相分解法又称单一化合物热分解法。气相分解法又称单一化合物热分解法。一般是对待分解的化合物或经前期预处理的中间化合物进一般是对待分解的化合物或经前期预处理的中间化合物进行加热、蒸发、分解，得到目标物质的纳米粒子。行加热、蒸发、分解，得到目标物质的纳米粒子。气相分解法制备纳米粒子要求原料中必须具有制备目标纳米气相分解法制备纳米粒子要求原料中必
28、须具有制备目标纳米粒子物质的粒子物质的全部所需元素全部所需元素的化合物。的化合物。热分解一般具有反应形式热分解一般具有反应形式 A(气气)B(固固)+C(气气)第三十九页，讲稿共五十五页哦（1）气相分解法）气相分解法热分解一般具有反应形式热分解一般具有反应形式 A(气气)B(固固)+C(气气)气相下均匀核生成及核生长而产生的，反应气需要形气相下均匀核生成及核生长而产生的，反应气需要形成较高的成较高的过饱和度过饱和度，反应体系要有，反应体系要有较大的平衡常数较大的平衡常数。气相热分解的原料通常是气相热分解的原料通常是容易挥发、蒸气压高、反应容易挥发、蒸气压高、反应性性好的有机硅、金属氯化物或其他
29、化合物。好的有机硅、金属氯化物或其他化合物。如如Fe(CO)5、SiH4、Si(NH)2、(CH3)4Si、Si(OH)4等等 第四十页，讲稿共五十五页哦（1）气相分解法）气相分解法第四十一页，讲稿共五十五页哦（2）气相合成法通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成出相通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成出相应的化合物，再经过快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。应的化合物，再经过快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。利用气相合成法可以进行多种纳米粒子的合成，具有灵活性和互换利用气相合成法可以进行多种纳米粒子的合成，具有灵活性和互换性。性。其反应形式可以表示为其
30、反应形式可以表示为 A(气气)+B(气气)一一C(固固)+D(气气)第四十二页，讲稿共五十五页哦（2）气相合成法下面是典型的气相合成反应方程下面是典型的气相合成反应方程第四十三页，讲稿共五十五页哦化学气相沉积制备纳米微粒的主要工艺1化学气相凝聚法化学气相凝聚法(CVC)2、燃烧火焰、燃烧火焰化学气相凝聚法化学气相凝聚法(CF-CVC)3激光诱导化学气相沉积激光诱导化学气相沉积(LICVD)4、等离子体辅助化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)第四十四页，讲稿共五十五页哦1化学气相凝聚法化学气相凝聚法(CVC)基本原理基本原理 利用高纯利用高纯惰性气体惰性气体作为载气，携带金属有机前
31、驱物，例如六甲作为载气，携带金属有机前驱物，例如六甲基二硅烷等，进入钼丝炉，炉温为基二硅烷等，进入钼丝炉，炉温为11001400，气氛的压力，气氛的压力保持在保持在1001000Pa的低压状态，原料热解形成团簇，进而凝聚成的低压状态，原料热解形成团簇，进而凝聚成纳米粒子，最后附着在内部充满液氮的转动衬底上，经刮刀刮下进入纳米粒子，最后附着在内部充满液氮的转动衬底上，经刮刀刮下进入纳米粉收集器纳米粉收集器第四十五页，讲稿共五十五页哦第四十六页，讲稿共五十五页哦2、燃烧火焰、燃烧火焰化学气相凝聚法化学气相凝聚法(CF-CVC)基本原理与装置与基本原理与装置与CVC法相似，不同处是将钼丝炉改换成平面
32、火法相似，不同处是将钼丝炉改换成平面火焰燃烧器，燃烧器的前面由一系列喷嘴组成焰燃烧器，燃烧器的前面由一系列喷嘴组成当含有金属有机前驱物燕气的载气当含有金属有机前驱物燕气的载气(例如氦气例如氦气)与可燃性气体的混与可燃性气体的混合气体均匀地流过喷气嘴时，产生均匀的平面燃烧火焰，火焰由合气体均匀地流过喷气嘴时，产生均匀的平面燃烧火焰，火焰由C2H2，CH4或或H2在在O2中燃烧所致反应室的压力保持中燃烧所致反应室的压力保持100500Pa的低压金属有机前驱物经火焰加热在燃烧器的外面热解形的低压金属有机前驱物经火焰加热在燃烧器的外面热解形成纳米粒子，附着在转动的冷阱上，经刮刀刮下收集成纳米粒子，附着
33、在转动的冷阱上，经刮刀刮下收集第四十七页，讲稿共五十五页哦第四十八页，讲稿共五十五页哦2、燃烧火焰化学气相凝聚法(CF-CVC)优点优点1、热解发生在燃烧器的外面，而不是在炉管内，因此反应、热解发生在燃烧器的外面，而不是在炉管内，因此反应充分并且不会出现粒子沉积在炉管内的现象充分并且不会出现粒子沉积在炉管内的现象2、火焰的高度均匀，保证了形成每个粒子的原料都经历了相同的、火焰的高度均匀，保证了形成每个粒子的原料都经历了相同的时间和温度的作用，结果粒径分布窄时间和温度的作用，结果粒径分布窄 第四十九页，讲稿共五十五页哦3激光诱导化学气相沉积(LICVD)具有清洁表面、粒子大小可精确控制、无粘结，
34、粒度分布均匀等优点，并容易制具有清洁表面、粒子大小可精确控制、无粘结，粒度分布均匀等优点，并容易制备出几纳米至几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒备出几纳米至几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒激光法与普通电阻炉加热法制备纳米粒子具有本质区别，这些差别主要表现为：激光法与普通电阻炉加热法制备纳米粒子具有本质区别，这些差别主要表现为：(1)由于反应器壁是冷的，因此无潜在的污染；由于反应器壁是冷的，因此无潜在的污染；(2)原料气体分子直接或间接吸收激光光子能量后迅速进行反应；原料气体分子直接或间接吸收激光光子能量后迅速进行反应；(3)反应具有选择性；反应具有选择性；(4)反应区条件可以精确地被控制；反应区条件
35、可以精确地被控制；(5)激光能量高度集中，反应区与周围环境之间温度梯度大，有利于成核粒子激光能量高度集中，反应区与周围环境之间温度梯度大，有利于成核粒子快速凝结。快速凝结。第五十页，讲稿共五十五页哦3激光诱导化学气相沉积(LICVD)基本原理基本原理 大功率激光器的激光束照射于反应气体，反应气体通过对大功率激光器的激光束照射于反应气体，反应气体通过对入射激光光子的强吸收，气体分子或原子在瞬间得到加热、活入射激光光子的强吸收，气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应气体分子或原子获得化学反应所需要化，在极短的时间内反应气体分子或原子获得化学反应所需要的温度后，迅速完成反应、成核、凝
36、聚、生长等过程，从而制的温度后，迅速完成反应、成核、凝聚、生长等过程，从而制得相应物质的纳米粒子。得相应物质的纳米粒子。根据根据JohnSHaggerty的估算，的估算，激光加热速率为激光加热速率为105-108s，加热到反应最高温度的时间小于加热到反应最高温度的时间小于10-4s。第五十一页，讲稿共五十五页哦第五十二页，讲稿共五十五页哦入射激光能否引发化学反应入射激光能否引发化学反应是激光法合成纳米粒子的一个关键性问题。是激光法合成纳米粒子的一个关键性问题。气体分子对光能的气体分子对光能的吸收系数吸收系数一般与入射光的一般与入射光的频率频率有关。有关。CO2连续激光器连续激光器(10.6m)
37、、YAG激光器激光器光束经透镜聚焦后，功率密度可以达到光束经透镜聚焦后，功率密度可以达到103105Wcm2，满足激光诱，满足激光诱导气相化学反应合成纳米粒子的要求。导气相化学反应合成纳米粒子的要求。SiH4、C2H4、NH3对对CO2激光光子都具有较强的吸收，相应吸收系数是激光光子都具有较强的吸收，相应吸收系数是气氛气氛压力压力的函数。的函数。(反应室压力反应室压力8-1000Pa)某些有机硅化合物和羰基铁一类的物质，它们对某些有机硅化合物和羰基铁一类的物质，它们对CO2激光无明显的吸激光无明显的吸收。当采用这类原料蒸发气体时，需要在反应体系中加人相应的光敏剂收。当采用这类原料蒸发气体时，需
38、要在反应体系中加人相应的光敏剂 SF6.第五十三页，讲稿共五十五页哦4.等离子体辅助气相化学反应等离子体辅助气相化学反应基本原理基本原理 等离子体是一种高温、高活性、离子化的导电气体，等离子体等离子体是一种高温、高活性、离子化的导电气体，等离子体中存在着大量的高活性物质微粒，这些微粒与反应物原料迅速交换中存在着大量的高活性物质微粒，这些微粒与反应物原料迅速交换电荷和能量，有助于相应化学反应的进行。电荷和能量，有助于相应化学反应的进行。当等离子体高温焰流中心的高活性原子、离子或分子达到原料表面时，当等离子体高温焰流中心的高活性原子、离子或分子达到原料表面时，就会使原料熔融，并迅速溶解于原料溶体中
39、，使原料体内形成溶解的超饱和就会使原料熔融，并迅速溶解于原料溶体中，使原料体内形成溶解的超饱和区、过饱和区和饱和区，引起原料的蒸发和相应的化学反应发生。区、过饱和区和饱和区，引起原料的蒸发和相应的化学反应发生。等离子体尾焰区的温度也较高，离开尾焰区的反应物迅速离解并等离子体尾焰区的温度也较高，离开尾焰区的反应物迅速离解并成核结晶。脱离尾焰区后，温度骤然下降而使反应产物微粒处于过饱成核结晶。脱离尾焰区后，温度骤然下降而使反应产物微粒处于过饱和态，成核结晶同时猝灭而形成超微粒子。和态，成核结晶同时猝灭而形成超微粒子。第五十四页，讲稿共五十五页哦07.04.2023感感谢谢大大家家观观看看第五十五页，讲稿共五十五页哦