一種納米鉑包覆金顆粒膜復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到微、納米尺度材料的制備領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種納米鉑包覆金顆粒膜復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微米及納米尺度薄膜、顆粒的優(yōu)異性能和廣闊應(yīng)用前景逐漸被研宄者認(rèn)知并引起世界各國(guó)材料學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家的極大興趣。當(dāng)尺寸達(dá)到納米級(jí)時(shí)，顆粒將呈現(xiàn)明顯的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，在催化、濾光、光吸收、醫(yī)學(xué)、磁介質(zhì)及新材料等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
[0003]由于良好的綜合性能及成本優(yōu)勢(shì)，純金(Au)及其合金材料日益受到人們的重視，作為重要的工業(yè)原料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微電子器件、生物醫(yī)學(xué)、傳感器、催化、電極材料等工業(yè)領(lǐng)域。由于粒子間的電磁耦合，自組裝金納米粒子薄膜表現(xiàn)出協(xié)同等離子體共振吸收行為和表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)。
[0004]鉑(Pt)具有高的化學(xué)穩(wěn)定性和反應(yīng)活性，是低溫燃料電池、氫能源等應(yīng)用領(lǐng)域中不可替代的催化劑，而且鉑納米材料具有異常紅外性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0005]近年來(lái)根據(jù)性能需要設(shè)計(jì)新的納米材料體系，特別是納米復(fù)合體系的設(shè)計(jì)和研宄，己成為當(dāng)前納米科學(xué)技術(shù)和凝聚態(tài)物理研宄的前沿和熱點(diǎn)。因此，納米復(fù)合體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注，其中納米復(fù)合顆粒膜就是一類(lèi)具有廣闊應(yīng)用前景的納米復(fù)合材料，由于納米粒子的性能、工藝條件等參量的變化都對(duì)納米復(fù)合薄膜的性能有著顯著的影響，因此，可以在較多的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)其功能特性的調(diào)控。將兩種或兩種以上的材料進(jìn)行表面包覆處理后，可以產(chǎn)生新的功能，例如對(duì)超細(xì)顆粒表面經(jīng)行改性，即利用物理或化學(xué)的方法改變顆粒表面的結(jié)構(gòu)和組成將極大的拓展超細(xì)顆粒的應(yīng)用空間在微電子、傳感、催化、光電顯示、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。金薄膜、鉑薄膜都具有良好的催化性能，如果將納米金薄膜、金顆粒與鉑薄膜組合到一起將會(huì)展現(xiàn)出更好的的催化特性。
[0006]除了單一組分的金屬納米材料之外，近年來(lái)雙金屬甚至多金屬納米顆粒的合成同樣受到極大的關(guān)注。雙金屬或者多金屬納米顆粒按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒、合金納米顆粒和枝狀納米顆粒。因?yàn)殡p金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，通常這種納米顆粒具有很多獨(dú)特的性能。例如對(duì)于鉑納米顆粒來(lái)說(shuō)，通過(guò)與鎳或者鈷進(jìn)行合金化能使它對(duì)某些物質(zhì)的催化活性提高幾倍甚至幾十倍。又比如用鉑作為晶種來(lái)生長(zhǎng)鉑鉑枝狀納米顆粒可以減少催化劑中價(jià)格昂貴的金屬鉑的用量。加入用金納米顆粒作為晶種來(lái)生長(zhǎng)鉑能起到穩(wěn)定鉬納米催化劑的作用。對(duì)于銀納米顆粒來(lái)說(shuō)，在金納米顆粒上構(gòu)筑核殼結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)金銀核殼納米立方體尺寸及吸收光譜上的調(diào)控。
[0007]由于具有廣闊的應(yīng)用前景，高效率、低成本的微納米尺度Au薄膜、Pt薄膜、金顆粒及其復(fù)合材料制備技術(shù)成為本領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)之一。目前金薄膜、鉑薄膜的制備方法主要有磁控濺射法、蒸鍍法、電鍍、化學(xué)鍍、溶膠凝膠、電沉積等方法。目前亞微及納米尺度Au顆粒的制備方法主要包括:水熱法、還原金鹽法、晶種法、電化學(xué)合成、氣相沉積、模板法。雖然人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)可以通過(guò)多種方法制備出亞微及納米尺度的金薄膜和金顆粒，但是所制備的金顆?；径际亲杂蓱B(tài)的單分散顆粒或者許多顆粒團(tuán)聚在一起，很難將這些顆粒固定在基體或者薄膜表面。盡管通過(guò)模板法可以在基體或者薄膜表面生長(zhǎng)純金顆粒，但是這種方法技術(shù)復(fù)雜，而且在去除模板的過(guò)程中容易對(duì)Au顆粒造成污染，因而也不適合產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求。
[0008]綜上所述，可以看出現(xiàn)有技術(shù)方法很難在薄膜表面生長(zhǎng)與薄膜結(jié)合良好的Au顆粒，也就是說(shuō)很難制備出金薄膜/金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)，意味著很難制備出高性能的納米鉑薄膜包覆金顆粒膜復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種納米鉑包覆金顆粒膜復(fù)合材料的制備方法，該方法是在柔性聚酰亞胺基體表面無(wú)需模板制備出納米鉑薄膜包覆金顆粒膜復(fù)合材料。
[0010]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的采用的技術(shù)方案為:一種納米鉑包覆金顆粒膜復(fù)合材料的制備方法，首先在聚酰亞胺基體表面制備金-鉬合金膜，并使基體保持在200°c?330°C的溫度以促使金原子在薄膜表面生長(zhǎng)為金顆粒，然后在制備的金-鉬合金膜表面沉積鉑薄膜即制得產(chǎn)品。
[0011]所述在聚酰亞胺基體表面制備金-鉬合金膜的步驟如下:
1)將柔性聚酰亞胺基體清洗干凈后置于磁控濺射鍍膜機(jī)基片臺(tái)上；
2)在鍍膜機(jī)的靶位上分別放置好Au靶和Mo靶，然后關(guān)閉真空室、開(kāi)啟機(jī)械泵和分子泵對(duì)真空室抽真空，使真空度達(dá)到0.0001-0.0005Pa,而后再對(duì)基片臺(tái)進(jìn)行加熱，加熱溫度200 °C ?330。。；
3)向真空室通入高純氬氣使真空室內(nèi)的氣壓為0.2-0.8Pa，然后同時(shí)接通Au靶和Mo靶的電源在聚酰亞胺基體上共濺射沉積Au-Mo合金薄膜；
4)Au-Mo合金薄膜沉積完成后，繼續(xù)保溫30-100min，以使Au-Mo合金薄膜中的Au原子在薄膜表面析出、形核、生長(zhǎng)成為不同尺度的Au顆粒。
[0012]所述Au-Mo合金薄膜中Au的含量為5_30at%，厚度為5-lOOnm。
[0013]所述在金-鉬合金膜表面沉積鉑薄膜的操作為:在鍍膜機(jī)的靶位上放置好Pt靶，當(dāng)真空室真空度達(dá)到0.0001-0.0005Pa后，向真空室通入高純氬氣使真空室內(nèi)的氣壓達(dá)到
0.2-0.8Pa，然后接通Pt靶電源開(kāi)始在金-鉬合金膜表面上沉積鉑薄膜，通過(guò)控制濺射功率和時(shí)間，以使沉積的Pt薄膜厚度為5-50nm。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:首先將柔性聚酰亞胺基體固定到磁控濺射鍍膜機(jī)基片臺(tái)上，然后對(duì)基片臺(tái)進(jìn)行加熱(加熱溫度200°C?330°C)，接下來(lái)通過(guò)磁控濺射雙靶共沉積技術(shù)在聚酰亞胺(PI)基體上沉積不同成分、不同厚度的納米Au-Mo合金膜，保溫一定時(shí)間(30-100分鐘)，就可以在柔性聚酰亞胺基體表面制備出金薄膜/金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，最后在已獲得的金薄膜/金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)表面濺射沉積鉑薄膜就獲得了納米鉑薄膜包覆金顆粒膜復(fù)合材料的方法；
具體操作如下:
(I)、聚酰亞胺基體清洗
將柔性聚酰亞胺基體置入裝有無(wú)水乙醇的燒杯中，將該燒杯放入超聲波清洗機(jī)中超聲清洗10-30分鐘，然后再將清洗后的聚酰亞胺放入裝有去離子水的燒杯中超聲清洗5-15分鐘，將清洗好的聚酰亞胺基體用氮?dú)獯蹈?，然后將聚酰亞胺基體固定到磁控濺射鍍膜機(jī)基片臺(tái)上；
(2)、靶材準(zhǔn)備及鍍膜機(jī)基片臺(tái)加熱
鍍膜采用JCP-350直流磁控濺射鍍膜機(jī)，在鍍膜機(jī)的靶位上分別放置好純度99.99at%的Au靶和純度99.99at%的Mo靶。將靶材和聚酰亞胺基體放置好以后將鍍膜機(jī)的真空室關(guān)閉，并開(kāi)啟機(jī)械泵、分子泵對(duì)真空室抽真空，使真空度達(dá)到0.0001-0.0005Pa，然后對(duì)基片臺(tái)進(jìn)行加熱，加熱溫度200°C?330°C，加熱到達(dá)所需溫度后開(kāi)始鍍膜；
(3)、制備出金薄膜/金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)
當(dāng)基片臺(tái)加熱到預(yù)定溫度穩(wěn)定后開(kāi)始鍍膜。鍍膜采用的是三靶位JCP-350磁控濺射鍍膜機(jī)。鍍膜所用靶材為純度99.99at%的Au靶和純度99.99at%的Mo靶。當(dāng)真空室真空度達(dá)到0.0001-0.0005Pa后，向真空室通入高純氬氣使真空室內(nèi)的氣壓達(dá)到0.2-0.8Pa之間。然后同時(shí)接通Au靶和Mo靶的電源開(kāi)始共濺射在聚酰亞胺基體上沉積Au-Mo合金薄膜，合金薄膜中Mo的含量通過(guò)控制Mo靶的濺射功率調(diào)控。Au靶和Mo的濺射功率依據(jù)所需要的生長(zhǎng)速率及薄膜成分調(diào)整。通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，可制備Au-5?30at.% Mo合金膜，薄膜厚度在5-100nm之間。薄膜沉積完畢后基片臺(tái)繼續(xù)保溫30-100分鐘。由于薄膜在沉積過(guò)程中基片臺(tái)具有一定溫度，相當(dāng)于對(duì)薄膜進(jìn)行了原位退火，促使合金膜中的Au原子在表面析出、形核、生長(zhǎng)成為不同尺度的Au顆粒。從而通過(guò)一步法制備出了金薄膜/金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)；
(4)、納米鉑薄膜包覆金顆粒膜復(fù)合材料
在步驟(3)獲得的納米金薄膜/金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面上進(jìn)一步沉積鉑薄膜。濺射鉑薄膜所用靶材為純度99.99at°/d^Pt。當(dāng)真空室真空度達(dá)到0.0001-0.0005Pa后，向真空室通入高純氬氣使真空室內(nèi)的氣壓達(dá)到0.2-0.8Pa之間。然后同時(shí)接通Pt靶電源開(kāi)始在聚酰亞胺基體上沉積鉑薄膜，薄膜厚度在5-50nm，就獲得了高性能納米鉑薄膜包覆金顆粒膜復(fù)合材料。
[0015]有益效果:本發(fā)明采用磁控濺射雙靶共沉積制備金合金薄膜及基體原位加熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需模板制備出納米金薄膜/金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)而在已獲得的納米金薄膜/金顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)表面濺射沉積鉑薄膜就獲得了高性能納米鉑薄膜包覆金顆粒膜復(fù)合材料。這種方法制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中的金、鉑薄膜厚度、金顆粒尺度在微納尺度范圍內(nèi)均可以調(diào)控。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，操作方便，無(wú)需采用模板，成本低，綠色環(huán)保，易于在基體上無(wú)需模板制備出大面積、高性能納米鉑薄膜包覆金顆粒膜復(fù)合材料。采用磁控濺射共沉積技術(shù)制備的高性納米鉑薄膜包覆金顆粒膜復(fù)合結(jié)構(gòu)材料可應(yīng)用于柔性電子器件、催化、傳感器、光電顯示器件等領(lǐng)域。