專利名稱：厘米級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種厘米長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
關(guān)于銀納米線陣列(silver nanowire array)的制備目前已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道，但都是在液體環(huán)境下制備出來的，可以歸納為以下兩類一類是在含銀離子溶液中，利用模板(陽極氧化鋁模板anodic aluminum oxide template或分子管道模板)限制納米材料生長(zhǎng)形貌和尺度的電化學(xué)沉積法。見文獻(xiàn)“B.H.Hong，S.C.Bae，C.W.Lee，S.Jeong，K.S.Kim，SCIENCE，294(2001)348-351”；“Q.M.Zhang，Y.Li，D.S.Xu，Z.N.Gu，JOURNAL OF MATERIALS SCIENCELETTERS，20(2001)925-927”；“G.Sauer，G.Brehm，S.Schneider，K.Nielsch，R.B.Wehrspohn，J.Choi，H.Hofmeister，U.Gosele，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，91(2002)3243-3247”；“Y.T.Pang，G.W.Meng，Q.Fang，L.D.Zhang，NANOTECHNOLOGY，14(2003)20-24”；“X.Y.Sun，F(xiàn).Q.Xu，Z.M.Li，W.H.Zhang，MATERIALS CHEMISTRY AND PHYSICS，90(2005)69-72”。另一類是在溶液中，利用機(jī)械手段將眾多單根銀納米線壓縮在一起，排列成銀納米線陣列。見文獻(xiàn)“A.Tao，F(xiàn).Kim，C.Hess，J.Goldberger，R.He，Y.G.Sun，Y.N.Xia，and P.D.Yang，NANO LETTERS，3(2003)1229-1233”。
模板法制備的銀納米線陣列的尺度和形狀主要由模板的尺度和形狀決定，機(jī)械手段制備出的銀納米線陣列中的納米線排列的平行度不高；且上述兩類方法均是在液體環(huán)境下制備，過程復(fù)雜，不易控制；陣列中納米線的長(zhǎng)度僅能達(dá)到微米量級(jí)。
另外，本發(fā)明人曾在申請(qǐng)?zhí)枮?3104878.1，名稱為“全固態(tài)環(huán)境下制備金屬納米結(jié)構(gòu)材料的方法及裝置”及申請(qǐng)?zhí)枮?3104876.5，名稱為“一種制備純銀單晶納米線的方法及裝置”的專利申請(qǐng)中對(duì)銀單晶納米線的制備方法及裝置進(jìn)行了說明，該技術(shù)由于采用容易潮解的表面缺陷較多的氯化鈉為基底，直接影響納米線的生長(zhǎng)形貌和質(zhì)量。此外，基片的縱橫比較小，不能有效地限制銀離子的輸運(yùn)及排列方向，難以形成厘米級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列；而且所制備的納米線不易從氯化鈉基底分離和純化，難于在工業(yè)上直接應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有厘米量級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列的制備方法，使用這種方法可以在全固態(tài)環(huán)境且無任何模板的條件下，制備出厘米量級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列，使其易于從基底上分離，從而可直接作為導(dǎo)線或器件應(yīng)用于宏觀尺度的電子學(xué)等領(lǐng)域。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種制備厘米級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行(1)采用裸玻璃光纖作為基底，利用真空熱蒸鍍的方法，在裸玻璃光纖一側(cè)沿光纖軸向沉積兩片銀膜分別作為陰極和陽極；(2)在陰極和陽極之間沿光纖軸向沉積RbAg4I5銀離子導(dǎo)電薄膜，并使其覆蓋陰極和陽極；(3)將陰極和陽極分別與直流恒壓源的負(fù)極和正極連接，在真空狀態(tài)下，對(duì)陰極和陽極之間施加恒定直流電壓，使電場(chǎng)方向平行于光纖軸向；其電壓值為200～500毫伏特，時(shí)間至少為40小時(shí)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明在全固態(tài)環(huán)境且無任何模板的條件下制備出厘米量級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列，納米線直徑在百納米以內(nèi)；陣列中的納米線彼此平行排列、取向一致；該方法操作簡(jiǎn)單，易于控制，且制備出的陣列很容易與光纖基底分離。因此，本發(fā)明所制備的銀單晶納米線陣列可直接作為導(dǎo)線或器件應(yīng)用于宏觀尺度的電子學(xué)、光電子學(xué)領(lǐng)域中，或者直接作為表面增強(qiáng)拉曼散射基底用于化學(xué)分析領(lǐng)域中。


圖1a、1b是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是納米線陣列的高分辨透射電子顯微鏡能量散射譜-EDS的分析結(jié)果，它表明納米線陣列只含有Ag元素。
圖3a是陣列內(nèi)任取的單根納米線的透射電子顯微鏡圖像；圖3b是該納米線的透射電子顯微鏡的選區(qū)衍射花樣，透射電子顯微鏡的選區(qū)衍射花樣表明陣列內(nèi)的納米線是單晶結(jié)構(gòu)。
圖4a是光纖基底上，從陰極附近生長(zhǎng)出的納米線陣列全貌的掃描電子顯微鏡圖像；圖4b是納米線陣列的局部放大的掃描電子顯微鏡圖像。圖4a、4b表明，納米線陣列長(zhǎng)度達(dá)到厘米量級(jí)，陣列中的納米線彼此平行排列、取向一致。
圖5a是光纖基底上，從陰極附近生長(zhǎng)出的納米線陣列全貌的掃描電子顯微鏡圖像；圖5b是納米線陣列的局部放大的掃描電子顯微鏡圖像。圖5a、5b表明，納米線陣列長(zhǎng)度達(dá)到厘米量級(jí)，陣列中的納米線彼此平行排列、取向一致。
具體實(shí)施例方式
圖1a、1b是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，這種實(shí)驗(yàn)裝置包括裸玻璃光纖1，陽極2，RbAg4I5銀離子導(dǎo)電膜3，陰極4，直流恒壓電源5。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明提供的厘米量級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列的制備方法及其機(jī)理先將玻璃光纖去皮、清洗、干燥后得到裸玻璃光纖1，在裸玻璃光纖1的一側(cè)沿光纖軸向沉積兩片銀膜分別作為陰極4和陽極2；然后再在陰極和陽極之間沿光纖軸向沉積RbAg4I5銀離子導(dǎo)電薄膜3，并使其覆蓋陰極和陽極；最后使陰極和陽極分別與直流恒壓電源5的負(fù)極和正極相連接，確保電場(chǎng)方向平行于光纖軸向(如圖1b所示)。這樣，在直流電場(chǎng)作用下，陽極中的Ag原子失去電子變成Ag+離子，沿著光纖軸向穿過RbAg4I5銀離子導(dǎo)電膜向陰極移動(dòng)，到達(dá)陰極附近的Ag+離子會(huì)得到電子，被還原成Ag原子，并在陰極附近聚集形成晶核，隨后而至的Ag+離子被還原后繼續(xù)在核上不斷堆積，漸漸長(zhǎng)大。由于最先長(zhǎng)大的銀晶粒在陰極表面會(huì)聚集大量電荷，更易吸引下一個(gè)Ag+離子向其頂端靠攏，導(dǎo)致其頂端生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的存在，促進(jìn)銀納米線的形成。在光纖基底的陰極附近，有若干個(gè)這樣具有頂端優(yōu)勢(shì)的銀納米線緊密靠攏在一起并列生長(zhǎng)，就形成了銀納米線陣列。由于基底為裸玻璃光纖，限定了銀納米線陣列成形時(shí)，在寬度方向的尺度，同時(shí)又為納米線陣列沿光纖軸向生長(zhǎng)提供了自由空間，在電場(chǎng)方向平行于光纖軸向的直流恒壓場(chǎng)控制下，納米線陣列只能沿一個(gè)方向生長(zhǎng)，使得制備的納米線陣列長(zhǎng)度可以達(dá)到厘米量級(jí)。大量實(shí)驗(yàn)表明相同實(shí)驗(yàn)條件下，電場(chǎng)作用的時(shí)間越長(zhǎng)，納米線陣列的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。
為得到銀單晶納米線陣列，在陰極和陽極之間施加恒定的直流電壓，電壓應(yīng)控制在200～500毫伏特之間，時(shí)間至少為40小時(shí)。
關(guān)于RbAg4I5銀離子導(dǎo)電膜制備技術(shù)，本發(fā)明人在以下的文獻(xiàn)中已詳細(xì)公開“V.K.Miloslavsky，O.N.Yunakova and J.L.Sun.Exciton spectrum in superionic RbAg4I5conductor，F(xiàn)unct.Mater.，1(1994)51-55”；“Y.Cao，J.L.Sun，G.S.Zhang，J.H.Guo，Z.P.Wang，Absorption spectra and ionic conductivity of RbxCs1-xAg4I5 superionicconductors thin films Chin.Phys.Lett，22(2005)239-242”。
下面舉出幾個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1先將玻璃光纖去皮、清洗、干燥后得到直徑為110微米的裸玻璃光纖，在裸玻璃光纖兩端(沿光纖軸向)同時(shí)沉積兩片銀膜作為陰極和陽極(極間距為1毫米)，然后再沉積RbAg4I5銀離子導(dǎo)電膜，膜厚為80納米左右，使RbAg4I5銀離子導(dǎo)電膜覆蓋陰極、陽極及兩極之間的空隙，最后使陰極和陽極分別與直流恒壓電源的負(fù)極和正極相連接(如圖1b所示)。
取外加直流電壓為200毫伏特，通電時(shí)間50小時(shí)，制得銀單晶納米線陣列長(zhǎng)度達(dá)1.3厘米左右，陣列寬度為80微米左右，陣列中納米線彼此平行排列、取向一致(圖4a、4b所示)。
實(shí)施例2我們先將玻璃光纖去皮、清洗、干燥后得到直徑為120微米的裸玻璃光纖，在裸玻璃光纖兩端(沿光纖長(zhǎng)軸方向)同時(shí)沉積兩片銀膜作為陰極和陽極(極間距為1毫米)，然后再沉積RbAg4I5銀離子導(dǎo)電膜，膜厚100納米左右，使RbAg4I5銀離子導(dǎo)電膜覆蓋陰極、陽極及兩極之間的空隙，最后使陰極和陽極分別與直流恒壓電源的負(fù)極和正極相連接(如圖1b所示)。
取外加直流電壓為500毫伏特，通電時(shí)間40小時(shí)，得到銀單晶納米線長(zhǎng)度達(dá)1厘米左右，陣列寬度為90微米左右，陣列中納米線彼此平行排列、取向一致(圖5a、5b所示)。
為確定納米線陣列的化學(xué)成分，我們對(duì)陣列做了高分辨透射電子顯微鏡的能量散射譜-EDS的分析(圖2)，結(jié)果表明納米線陣列中只含有銀元素(注由于做透射電子顯微鏡觀測(cè)時(shí)，須將待測(cè)樣品放置在金屬銅網(wǎng)上，EDS譜圖中的銅峰為銅網(wǎng)的成份)。為確定陣列中納米線的晶體結(jié)構(gòu)，任取納米線陣列內(nèi)一單根納米線做透射電子顯微鏡的選區(qū)衍射分析，衍射圖樣(圖3b)表明制得的納米線陣列中的納米線為單晶結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種制備厘米級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行(1)采用裸玻璃光纖作為基底，利用真空熱蒸鍍的方法，在裸玻璃光纖一側(cè)沿光纖軸向沉積兩片銀膜分別作為陰極和陽極；(2)在陰極和陽極之間沿光纖軸向沉積RbAg4I5銀離子導(dǎo)電薄膜，并使其覆蓋陰極和陽極；(3)將陰極和陽極分別與直流恒壓源的負(fù)極和正極連接，在真空狀態(tài)下，對(duì)陰極和陽極之間施加恒定直流電壓，使電場(chǎng)方向平行于光纖軸向；其電壓值為200～500毫伏特，通電時(shí)間至少為40小時(shí)。
全文摘要
厘米級(jí)長(zhǎng)度的銀單晶納米線陣列的制備方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明選用裸玻璃光纖為基底，用真空熱蒸鍍方法在裸玻璃光纖一側(cè)沉積兩片銀膜分別作為陰極和陽極，在陰極和陽極之間沿光纖軸向沉積RbAg
文檔編號(hào)B82B3/00GK1709789SQ20051001200
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者孫家林, 曹陽, 姚海飛, 張建紅, 時(shí)碩, 郭繼華, 劉偉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)