專利名稱：一種準(zhǔn)一維金屬氧化物納米材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及準(zhǔn)一維納米線材料的制備方法，特別提供了一種采用原子層沉積技術(shù)制備金屬氧化物納米線的方法。該方法制備出的金屬氧化物納米線，表現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向生長特性，且可以很容易進(jìn)行納米線高度與寬度的控制，從而為制備不同尺寸金屬納米線材料提供了一種可能。
背景技術(shù)：
材料的晶粒尺寸達(dá)到IOOnm以下時(shí)、或材料的某一維度達(dá)到了納米級(jí)，此種材料我們定義為納米材料。納米材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)具有一系列與常規(guī)粗晶材料迥異的性能， 一直以來得到了廣泛的關(guān)注和研究。對納米材料科學(xué)進(jìn)行深入的研究，首先需要制備出合適的納米材料。目前，世界范圍內(nèi)有許多科學(xué)家正致力于納米材料的研究制備工作，并已經(jīng)取得了許多突破性的研究成果。目前的實(shí)驗(yàn)和研究中，獲得不同尺寸晶粒分布的方法通常有控制球磨時(shí)間；再結(jié)晶和二次再結(jié)晶；以及應(yīng)力誘導(dǎo)晶粒長大等。在控制材料維度方面也同樣取得了許多顯著的研究成果，1985年英國化學(xué)家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學(xué)家理查德·斯莫利在賴斯大學(xué)制備出了第一種富勒烯，這種富勒烯是僅有零維的納米材料；1991年日本筑波 NEC實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男在高分辨電鏡下發(fā)現(xiàn)了一種僅有一維的管狀碳納米材料， 這就是碳納米管；2004年英國的曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家安德烈 海姆等通過“微機(jī)械剝離” 法制備出了僅有幾個(gè)原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，即石墨烯。宏觀的塊體材料的某一維度進(jìn)入納米級(jí)別后，其性能會(huì)發(fā)生巨大的變化。準(zhǔn)二維材料石墨烯是目前已知硬度最大的材料，而宏觀的碳材料石墨卻是一種具有潤滑效果的軟質(zhì)材料。由此可見，維度的改變會(huì)使材料獲得某些非常獨(dú)特的性能，近年來對制備不同維度的納米材料的研究越來越多、越來越深入。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型金屬氧化物納米線的材料制備方法。該材料的特征是金屬氧化物納米線的長度可達(dá)到微米級(jí)別，而寬度和高度卻僅有納米級(jí)，是典型的一維納米線材料，并呈現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)。該工藝下制備出的納米線具有一定的擇優(yōu)取向生長特性， 可以很容易通過控制生長時(shí)間、沉積溫度對金屬氧化物納米線形態(tài)進(jìn)行控制。同時(shí)，該方法操作簡單易行，成本較低，易于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)和推廣。本發(fā)明所采用的方法，主要原理是在原子層沉積生長過程中，采用高純氮?dú)鈱⒎磻?yīng)需要的前軀體三甲基鋁、雙氧水分批次吹入到反應(yīng)腔中，飽和吸附在襯底表面的前軀體相互反應(yīng)，生成氧化鋁。在特定的生長溫度、沉積時(shí)間下，實(shí)驗(yàn)中所使用的高定向熱解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite，H0PG)襯底表面上就會(huì)生長出線狀結(jié)構(gòu) (Wire-like structure)的氧化鋁(Al2O3)。該方法具體包括下列步驟
1)采用普通透明膠帶對高定向熱解石墨進(jìn)行微機(jī)械剝離后，將其放置在原子層沉積設(shè)備的生長腔內(nèi)，準(zhǔn)備進(jìn)行納米線生長；2)將需要進(jìn)行反應(yīng)的原材料三甲基鋁、雙氧水裝入反應(yīng)源中，反應(yīng)溫度設(shè)定為 150°C，抽真空至SmTorr后啟動(dòng)程序自動(dòng)控制反應(yīng)過程；采用高純N2作為反應(yīng)輔助氣氛，保證在反應(yīng)腔中不會(huì)發(fā)生反應(yīng)物氧化的現(xiàn)象；3)納米線生長過程中，通過電阻絲加熱方式使反應(yīng)腔的溫度穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的反應(yīng)溫度，反應(yīng)源三甲基鋁的反應(yīng)和沖洗時(shí)間分別為4s、20s，雙氧水的反應(yīng)和沖洗時(shí)間分別為0. 2s、45s，通過設(shè)定的程序使反應(yīng)重復(fù)進(jìn)行；4)氧化鋁納米線的高度及寬度，通過控制反應(yīng)周次進(jìn)行控制。該方法采用原子層沉積技術(shù)，將兩種反應(yīng)物分批次通入到反應(yīng)腔中，吸附在襯底表面的反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氧化物納米線。氧化鋁納米線之間相互平行，表現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向的生長特性；同時(shí)，該方法操作簡單，成本較低，可以通過編寫程序進(jìn)行控制，易于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)和推廣。


圖1為生長溫度150°C、沉積120周次的氧化鋁薄膜的表面形貌SEM圖。圖2為生長溫度150°C、沉積150周次的氧化鋁納米線的表面形貌SEM圖。圖3為為生長溫度50°C、沉積120周次的氧化鋁納米線的表面形貌SEM圖。圖4為氧化鋁納米線透射電鏡顯微結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為氧化鋁的衍射斑點(diǎn)圖。表1為氧化鋁納米線的組分含量。以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種利用原子層沉積技術(shù)，從而沉積制備出金屬氧化物納米線的一種方法。本實(shí)施例采用三甲基鋁及雙氧水作為生長源，高純氮?dú)庾鰹榉磻?yīng)輔助氣氛，制備出氧化鋁(Al2O3)納米線。氧化鋁(Al2O3)納米線的具體工藝過程1)用普通的透明膠帶將A等級(jí)的高定向熱解石墨的外表層剝離掉，迅速將剝離后的襯底放入原子層沉積設(shè)備的生長腔內(nèi)，關(guān)閉腔室。2)將三甲基鋁及雙氧水裝入設(shè)備的反應(yīng)源內(nèi)，檢查氣路后，對設(shè)備生長腔進(jìn)行抽
真空處理。3)將反應(yīng)腔的溫度設(shè)定到反應(yīng)溫度，并啟動(dòng)開關(guān)進(jìn)行加熱，溫控軟件最終將溫度穩(wěn)定在150°C。4)反應(yīng)腔的本底真空達(dá)到后8mTorr，將高純氮?dú)獾臍馄砍隹趬毫υO(shè)定在0. 3MPa 左右，并進(jìn)行程序設(shè)定預(yù)熱時(shí)間20min ；三甲基鋁的吹入時(shí)間及沖洗時(shí)間分別為4s、 20s ；雙氧水的吹入時(shí)間及沖洗時(shí)間分別為:0. 2s,45s ；反應(yīng)周次120或150等。5)啟動(dòng)設(shè)定程序，進(jìn)行氧化鋁(Al2O3)的沉積生長。附圖1為生長溫度150°C、沉積周次120周下的氧化鋁的表面形貌SEM圖。從圖上可以看出，此工藝下的氧化鋁是一種薄膜的形態(tài)，而且氧化鋁薄膜的連續(xù)性較差，有許多明顯的孔洞存在。從形貌圖上看不到明顯的晶界存在，推斷氧化鋁薄膜為非晶態(tài)。附圖2為生長溫度150°C、沉積周次150周下的氧化鋁的表面形貌SEM圖。從圖上可以看出此工藝下的氧化鋁是一種線狀的形態(tài)，納米線在長度方向達(dá)到微米級(jí)，而在寬度及高度方向上僅有納米級(jí)；納米線之間相互平行，呈現(xiàn)一定的擇優(yōu)取向生長特性。可以發(fā)現(xiàn)，納米線是覆蓋在一層氧化鋁薄膜之上，說明在氧化鋁沉積過程中，氧化鋁的生長模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。為了進(jìn)行對比，附圖3為生長溫度50°C、沉積周次120周下的氧化鋁的表面形貌 SEM圖。從圖上可以看出此工藝下的氧化鋁也同樣是一種線狀的形態(tài)。由圖2、圖3對比的結(jié)果可以得出這樣的結(jié)論通過改變生長溫度、沉積時(shí)間，可以對氧化鋁的形態(tài)進(jìn)行控制。附圖4、附圖5分別為氧化鋁的高分辨顯微結(jié)構(gòu)、衍射斑點(diǎn)圖，從衍射斑點(diǎn)為暈狀可知，制備的氧化鋁為非晶態(tài)。表 權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)一維金屬氧化物納米材料的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟1)采用普通透明膠帶對高定向熱解石墨進(jìn)行微機(jī)械剝離后，將其放置在原子層沉積設(shè)備的生長腔內(nèi)，準(zhǔn)備進(jìn)行納米線生長；2)將需要進(jìn)行反應(yīng)的原材料三甲基鋁、雙氧水裝入反應(yīng)源中，反應(yīng)溫度設(shè)定為150°C， 抽真空至SmTorr后啟動(dòng)程序自動(dòng)控制反應(yīng)過程；采用高純N2作為反應(yīng)輔助氣氛，保證在反應(yīng)腔中不會(huì)發(fā)生反應(yīng)物氧化的現(xiàn)象；3)納米線生長過程中，通過電阻絲加熱方式使反應(yīng)腔的溫度穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的反應(yīng)溫度，反應(yīng)源三甲基鋁的反應(yīng)和沖洗時(shí)間分別為4s、20s，雙氧水的反應(yīng)和沖洗時(shí)間分別為 0. 2s、45s，通過設(shè)定的程序使反應(yīng)重復(fù)進(jìn)行；4)氧化鋁納米線的高度及寬度，通過控制反應(yīng)周次進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微機(jī)械剝離將膠帶粘著在高定向熱解石墨的表面上，均勻用力將熱解石墨最外層撕掉，暴露出其新鮮表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種準(zhǔn)一維金屬氧化物納米材料的制備方法，該種納米線材料是一種金屬氧化物的納米線，長度上可以達(dá)到數(shù)微米的級(jí)別，而在寬度及高度上僅有納米級(jí)，材料呈現(xiàn)非晶的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。該方法采用原子層沉積技術(shù)，將兩種反應(yīng)物分批次通入到反應(yīng)腔中，吸附在襯底表面的反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氧化物納米線。氧化鋁納米線之間相互平行，表現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向的生長特性；同時(shí)，該方法操作簡單，成本較低，可以通過編寫程序進(jìn)行控制，易于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)和推廣。
文檔編號(hào)C23C16/40GK102383105SQ201110354230
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者張成軍, 徐可為, 王飛, 黃平 申請人:西安交通大學(xué)