本發(fā)明涉及一種二元及多元合金球形納米顆粒有序陣列及其制備方法，尤其是一種非緊密排列的合金納米顆粒陣列及其制備方法。

背景技術(shù)：

納米顆粒具有十分獨(dú)特的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)以及磁學(xué)性能，也是下一代器件的構(gòu)筑單元；如果將不同形狀、結(jié)構(gòu)的納米顆粒在指定的足夠大的襯底上，按照一定的方式規(guī)則地排列起來，則可構(gòu)成各種有序納米結(jié)構(gòu)陣列，這樣可使材料的性質(zhì)具有很好的穩(wěn)定性和均一性，納米結(jié)構(gòu)陣列既具有納米顆粒的獨(dú)特性質(zhì)，而且，由于顆粒之間的耦合作用，還可能具有組成單元(納米顆粒)所不具有的新效應(yīng)、新性質(zhì)。這種有序納米結(jié)構(gòu)陣列，可促進(jìn)納米結(jié)構(gòu)單元在納米器件組裝中的應(yīng)用，有利于其進(jìn)一步器件化。

雙元以及多元金屬(au，ag，cu，pt等)納米顆粒，由于其組成、結(jié)構(gòu)等具有極大的可調(diào)性，展現(xiàn)出優(yōu)于單元金屬納米顆粒獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在催化、化學(xué)傳感、生物醫(yī)藥、光電子器件等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。多元合金納米顆粒的諸多優(yōu)異性能與其元素組成、尺寸和顆粒分布、形貌密切相關(guān)。目前制備合金納米顆粒的方法主要有溶液還原法、水熱溶劑熱法、溶膠凝膠法、電化學(xué)還原法等液相共還原合成方法。盡管報道較多，但仍然有些問題有待解決：第一，合金納米顆粒合成主要采用溶劑熱法或者液相生長法，得到的納米顆粒一般成片狀，星形以及多面體形狀，很難直接在溶液中生長成球形；第二，合金納米顆粒粒徑分布范圍較寬，難以做到尺寸均一，成單分散性；第三，采用自組裝方法將顆粒組裝成膜只能得到緊密排列的陣列，顆粒之間的距離無法控制；并且陣列和基底結(jié)合不牢固，這就大大限制了合金納米顆粒陣列在光電子器件方面的應(yīng)用；第四，合金納米顆粒的尺寸受多種因素制約、調(diào)控比較困難。因此，在合成技術(shù)上，發(fā)展一種簡單易行的方法，實(shí)現(xiàn)合金納米顆粒的有效控制，獲得由單分散合金納米顆粒組成的非緊密排列的有序陣列結(jié)構(gòu)，顯得尤為重要。很顯然，現(xiàn)有技術(shù)的缺陷嚴(yán)重制約著合金納米結(jié)構(gòu)材料的進(jìn)一步應(yīng)用，而發(fā)展合金球形納米顆粒陣列的材料及其制備方法成為克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷的一種重要手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種簡單易行、高效實(shí)用的二元及多元合金非緊密排列球形納米顆粒有序陣列的制備方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的二元及多元合金非緊密排列球形納米顆粒有序陣列的制備方法，包括步驟：

首先，采用自組織方法在基底上合成六方排列緊密接觸的聚合物單層膠體球晶體陣列；

然后，在附著有所述聚合物單層膠體球晶體陣列的基底上，采用物理沉積方法沉積金屬a；

沉積金屬a后，在馬弗爐中900至1100攝氏度加熱0.2至4小時后，即可在基底獲得金屬a非緊密排列球形納米顆粒有序陣列；

然后，在樣品表面繼續(xù)物理沉積方法沉積金屬b；

沉積金屬b后，在管式爐中(n2+h2保護(hù)氣氛)600至800攝氏度加熱0.5至3小時，即可在基底獲得a-b合金非緊密排列球形納米顆粒有序陣列；

然后，在樣品表面繼續(xù)物理沉積方法沉積金屬c；

沉積金屬c后，在管式爐中(n2+h2保護(hù)氣氛)600至800攝氏度加熱0.5至3小時，即可在基底獲得a-b-c合金非緊密排列球形納米顆粒有序陣列；

所述聚合物單層膠體球晶體陣列中膠體球尺寸為200納米至2000納米；

所述物理沉積方法沉積的金屬厚度為10納米至400納米；

所述的金屬非緊密排列球形納米顆粒陣列中金屬納米顆粒尺寸在40納米到1500納米；

所述的有序合金非緊密排列球形納米顆粒有序陣列中陣列周期在200納米至2000納米。

為了達(dá)到更好的技術(shù)效果：

所述的聚合物為聚苯乙烯；

所述金屬a、b、c選自以下任一種：au、ag、cu、pt、ni、fe、cr、al。沉積順序：依照熔點(diǎn)從高到低依次沉積。

沉積金屬a后，在馬弗爐中1100攝氏度加熱2小時；

在管式爐中(n2+h2保護(hù)氣氛)750攝氏度加熱3小時。

所述物理沉積方法包括磁控濺射沉積、熱蒸發(fā)沉積或者電子束蒸發(fā)沉積。

采用上述同樣方式，即可獲得非緊密排列的球形多元合金納米顆粒有序陣列。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的合金非緊密排列球形納米顆粒陣列的制備方法，通過簡單易行的物理手段實(shí)現(xiàn)了對合金納米顆粒的有效控制，獲得由非緊密排列的單分散合金納米顆粒的有序陣列結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

其一：實(shí)現(xiàn)了單一金屬到多元合金的轉(zhuǎn)變；

其二：有序顆粒陣列中的合金納米顆粒呈現(xiàn)球形，并且尺寸均一；

其三：顆粒陣列呈現(xiàn)非緊密的六方排列；

其四：該顆粒陣列與基底上結(jié)合具有很好的強(qiáng)度，保證了顆粒陣列在各個應(yīng)用領(lǐng)域中的高穩(wěn)定性；

其五：合金球形納米顆粒陣列的周期，可通過單層膠體球晶體中膠體球尺寸來控制；合金納米顆粒的尺寸可以用物理沉積金屬的厚度調(diào)控；

其六：制備過程中用料少，無污染，屬綠色合成技術(shù)，且生產(chǎn)效率高，適于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

其七：在保護(hù)性氣氛中熱處理，大大降低了合金顆粒的氧化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中提供的合金非緊密排列球形納米顆粒陣列的制備方法的流程示意圖(以au-ag合金為例)。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中1100攝氏度退火3小時，在形成的au納米顆粒陣列的樣品表面沉積一定厚度的ag，750攝氏度退火3小時，得到au-ag合金納米顆粒陣列掃描電鏡照片，膠體球直徑：500納米。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中1100攝氏度退火3小時，在形成的au納米顆粒陣列的樣品表面沉積一定厚度的cu，750攝氏度退火3小時，得到au-cu合金納米顆粒陣列掃描電鏡照片，膠體球直徑：500納米。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中1100攝氏度退火3小時，在形成的au納米顆粒陣列的樣品表面沉積一定厚度的ag和cu，750攝氏度退火3小時，得到au-ag-cu合金納米顆粒陣列掃描電鏡照片，膠體球直徑：500納米。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中樣品的元素線掃描能譜圖(eds)，證明圖中的納米顆粒組分為au-ag合金。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中樣品的元素線掃描能譜圖(eds)，證明圖中的納米顆粒成分為au-cu合金。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中樣品的元素線掃描能譜圖(eds)，證明圖中的納米顆粒成分為au-ag-cu合金。

具體實(shí)施方式

下面將對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

基底為硅片、石英片等。

實(shí)施例1au-agau-ag-cu合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列

如圖1所示：

步驟1，采用氣液界面自組裝方法在基底上合成大面積(平方厘米級)的聚合物聚苯乙烯六方排列緊密接觸單層膠體球晶體陣列。

步驟2，在附著有單層膠體球晶體陣列的基底上，采用物理氣相沉積方法，如磁控濺射、熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)的方法沉積au。

步驟3，沉積au后，將樣品放在馬弗爐中升溫至1100攝氏度左右加熱3小時左右后，即可在基底獲得au球形納米顆粒非緊密排列有序陣列，周期可通過膠體球直徑來調(diào)控。

步驟4，在上述樣品表面，采用物理沉積方法，沉積ag。

步驟5，沉積ag后，將樣品放在管式爐(n2+h2保護(hù)氣氛)中750攝氏度左右加熱3小時左右，即可在基底獲得au-ag合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列。見圖2及圖5，膠體球直徑：500納米。

步驟6，在上述樣品表面，采用物理沉積方法，沉積cu。

步驟7，沉積cu后，將樣品放在管式爐(n2+h2保護(hù)氣氛)中750攝氏度左右加熱3小時左右，即可在基底獲得潔凈、高純的au-ag-cu合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列，該顆粒陣列與基底上結(jié)合具有很好的強(qiáng)度。見圖4及圖7，膠體球直徑：500納米。

實(shí)施例2au-cuau-cu-ag合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列

如圖1所示：

步驟1，采用氣液界面自組裝方法在基底上合成大面積(平方厘米級)的聚合物聚苯乙烯六方排列緊密接觸單層膠體球晶體陣列；

步驟2，在附著有單層膠體球晶體陣列的基底上，采用物理氣相沉積方法，如磁控濺射、熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)的方法沉積au；

步驟3，沉積金后，將樣品放在馬弗爐中升溫至1100攝氏度左右加熱3小時左右后，即可在基底獲得金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列；

步驟4，在上述樣品表面，采用物理沉積方法，沉積cu；

步驟5，沉積cu后，將樣品放在管式爐(n2+h2保護(hù)氣氛)中750攝氏度左右加熱3小時左右，即可在基底獲得au-cu合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列。見圖3及圖6，膠體球直徑：500納米。

步驟6，在上述樣品表面，采用物理沉積方法，沉積ag。

步驟7，沉積ag后，將樣品放在管式爐(n2+h2保護(hù)氣氛)中750攝氏度左右加熱3小時左右，即可在基底獲得au-cu-ag合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列。

實(shí)施例3au-ptau-pt-al合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列

步驟1，采用氣液界面自組裝方法在基底上合成大面積(平方厘米級)的聚合物聚苯乙烯六方排列緊密接觸單層膠體球晶體陣列；

步驟2，在附著有單層膠體球晶體陣列的基底上，采用物理氣相沉積方法，如磁控濺射、熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)的方法沉積au；

步驟3，沉積金后，將樣品放在馬弗爐中升溫至1100攝氏度左右加熱3小時左右后，即可在基底獲得金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列；

步驟4，在上述樣品表面，采用物理沉積方法，沉積pt；

步驟5，沉積pt后，將樣品放在管式爐(n2+h2保護(hù)氣氛)中750攝氏度左右加熱3小時左右，即可在基底獲得au-pt合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列。

步驟6，在上述樣品表面，采用物理沉積方法，沉積al。

步驟7，沉積al后，將樣品放在管式爐(n2+h2保護(hù)氣氛)中750攝氏度左右加熱3小時左右，即可在基底獲得au-pt-al合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列。

實(shí)施例4其他組合合金球形納米顆粒非緊密排列有序陣列

同樣，依據(jù)上述實(shí)施例所述步驟，可以制備au-ni，au-ag-ni，au-pt，au-pt-fe，au-cr，au-cr-al等二元或三元合金顆粒陣列。除沉積順序不同外，其余步驟同實(shí)施例1。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。