專利名稱：一種微納米材料及其制備方法、裝置、應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種微納米材料制備方法、制備裝置、 制備的微納米材料和該微納米材料的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
納米材料是指尺寸范圍為I IOOnm的材料。微納米材料即尺度在l(T9l(T6m范圍 的材料。粒徑小于IOOnm以后，離子的表面原子數(shù)與其體內(nèi)原子數(shù)可比。這種性質(zhì)導(dǎo)致了 納米材料出現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)體相材料的小尺寸、大表面和量子隧道等效應(yīng)所引發(fā)的結(jié)構(gòu)和 能態(tài)的變化，產(chǎn)生了許多獨(dú)特的光、電、磁、力學(xué)等物理化學(xué)特性。例如納米鐵具有磁性、原 來(lái)不導(dǎo)電的材料具有了導(dǎo)電、強(qiáng)的催化活性等。這些特殊性能使其在光電子、微電子、納電 子器件制備、高性能催化劑、生物領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，微納米材料制備方法主要包括物理方法和化學(xué)方法，其中物理方法主要包 括脈沖激光沉積法、蒸發(fā)冷凝法、分子束外延法(MBE)、機(jī)械球磨法等，而化學(xué)方法主要包括 化學(xué)氣相沉積、液相沉淀法、溶膠-凝膠法、L-B膜法、自組裝單層分子和表面圖案法、水熱/ 溶劑熱法、噴霧熱解法以及電化學(xué)法等等。在液相中脈沖激光燒蝕法作為一種新型納米制備技術(shù)已經(jīng)在諸如新材料、新能 源、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的納米材料制備和功能納米結(jié)構(gòu)組裝方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。液 相中脈沖激光燒蝕反應(yīng)作為一種用于制備微納米材料和納米結(jié)構(gòu)制備的技術(shù)，它具有在一 定范圍內(nèi)可控、反應(yīng)氛圍雜質(zhì)含量極少等特點(diǎn)。其主要原理是脈沖激光聚焦在液體中的固 體反應(yīng)靶表面，使反應(yīng)靶表面產(chǎn)生高溫并熔融，從而在液-固界面中產(chǎn)生等離子體羽輝；等 離子體羽輝受到液體的限制產(chǎn)生一個(gè)高溫高壓區(qū)，該區(qū)域?yàn)橐恍┗瘜W(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供必要 的條件，如燒蝕物之間的反應(yīng)、燒蝕物與液體之間的反應(yīng)等；隨著一個(gè)激光脈沖能量的結(jié) 束，等離子體羽冷卻，從而在液體中形成微納顆粒。磁場(chǎng)是一種無(wú)接觸的物理場(chǎng)，粒子受到這種物理場(chǎng)的作用可能會(huì)發(fā)生取向形成有 序結(jié)構(gòu)，從而賦予材料新的光、電、磁等特性。目前尚未發(fā)現(xiàn)利用磁場(chǎng)輔助脈沖激光燒蝕在 液體環(huán)境中制備微納米材料的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種制備微納米材料的 方法，該方法是利用磁場(chǎng)輔助脈沖激光液體中燒蝕制備微納米材料，是對(duì)當(dāng)前脈沖激光燒 蝕制備微納米材料的一種擴(kuò)展和創(chuàng)新，能夠通過(guò)調(diào)整靶材、磁場(chǎng)參數(shù)、激光參數(shù)來(lái)制備不同 成分的微納米材料。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的制備微納米材料的裝置。該裝 置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供上述方法制備的微納米材料。該材料是在磁場(chǎng)環(huán)境 中生長(zhǎng)而成，由于反應(yīng)過(guò)程中整個(gè)體系能量狀態(tài)發(fā)生改變，從而誘導(dǎo)材料生長(zhǎng)尺度、形貌及物理化學(xué)性能發(fā)生變化。如利用上述制備方法可以使常規(guī)的磁性材料發(fā)生取向排列生長(zhǎng)從 而使其磁學(xué)性能發(fā)生部分或者徹底改變。該微納米材料在磁學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域具有廣闊的 應(yīng)用前景。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供上述制備的微納米材料在磁學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明一種制備微納米材料的方法，基于液相中脈沖激光燒蝕法，在反應(yīng)容器外 圍加設(shè)磁場(chǎng)，制備時(shí)同時(shí)開啟磁場(chǎng)和激光光源。具體包括以下步驟(1)將反應(yīng)靶置于反應(yīng)容器中，然后在反應(yīng)容器中注入液相物質(zhì)，液相物質(zhì)浸沒(méi)反 應(yīng)靶；在反應(yīng)容器外圍設(shè)有計(jì)算機(jī)程序可控的磁場(chǎng)裝置；(2)調(diào)節(jié)脈沖激光光束的光路，使激光光束依次經(jīng)過(guò)全反射鏡和聚焦透鏡后聚焦 在反應(yīng)靶與液相物質(zhì)的接觸表面，接觸表面產(chǎn)生等離子體羽；(3)開啟磁場(chǎng)，然后開啟脈沖激光，使靶材在外磁場(chǎng)作用的同時(shí)，在激光的作用下 進(jìn)行液體環(huán)境中脈沖激光燒蝕反應(yīng)；(4)反應(yīng)30 120分鐘后，關(guān)閉脈沖激光，并使磁場(chǎng)強(qiáng)度降為零，然后取出反應(yīng)后 的液相物質(zhì)，并對(duì)其進(jìn)行干燥、分離，最后得到微納米材料。優(yōu)選的，所述步驟(1)中反應(yīng)祀的純度為質(zhì)量含量在99% 99. 999%之間；所述 反應(yīng)祀為碳、娃、鍺、硒、鉛、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、 l、招、鎵、銦、金、銀、鉬、fu鎘、猛、鈦、鎬、鉻、 鑰、鈮、鉭或鎢等金屬或非金屬單質(zhì)靶材、合金靶材或摻雜靶材；所述反應(yīng)靶的靶材直徑為 5 25mm，厚度為3 15毫米；所述反應(yīng)靶的形狀為圓形或方形，反應(yīng)靶的表面進(jìn)行磨平處理。作為優(yōu)選，步驟(1)中所述反應(yīng)容器為玻璃容器或塑料容器；所述反應(yīng)容器的形 狀為方形或圓形。更進(jìn)一步的，所述玻璃容器優(yōu)選石英玻璃容器或普通硅酸鹽玻璃容器。步驟(1)所述液相物質(zhì)為去離子水、有機(jī)溶液或摩爾濃度為10_3mol. L—1 2mol. L—1的鹽溶液。所述有機(jī)溶液優(yōu)選酒精、丙酮溶液。所述鹽溶液優(yōu)選氯化亞鐵溶液。步驟(1)中所述液相物質(zhì)的上表面高于反應(yīng)靶上表面2 20mm。具體高度視反應(yīng) 液體類型、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短而定。步驟(2) (3)中所述脈沖激光的頻率為1 10Hz，單脈沖能量為5(T800mJ。步驟(1) (3)中所述磁場(chǎng)為恒定磁場(chǎng)或程序控制變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T 20T。步驟(4)中，干燥為真空干燥，干燥的溫度為50 80°C。本發(fā)明一種制備微納米材料的裝置，包括激光器、全反鏡、聚焦透鏡、反應(yīng)靶、液相 物質(zhì)、反應(yīng)容器、磁場(chǎng)施加裝置，反應(yīng)靶設(shè)置在反應(yīng)容器中，反應(yīng)容器中有液相物質(zhì)，液相物 質(zhì)浸沒(méi)反應(yīng)靶，磁場(chǎng)施加裝置在反應(yīng)容器外圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，激光器產(chǎn)生的激光依次經(jīng)全反鏡、 聚焦透鏡后聚焦在反應(yīng)靶表面，工作時(shí)，磁場(chǎng)和激光光源同時(shí)作用于反應(yīng)靶。與現(xiàn)有的微納米材料制備方法不同的是，本發(fā)明中的制備方法可以利用磁場(chǎng)有效 控制微納米材料的組裝、生長(zhǎng)，且該材料是在磁場(chǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)而成，因此在光、電、磁等性能 上與現(xiàn)有的微納米材料會(huì)有不同。根據(jù)這些性能上的不同，可應(yīng)用于磁學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng) 域。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本發(fā)明首次通過(guò)磁場(chǎng)輔助脈沖激光在液體中燒蝕固體靶材制備微納米材料；該 方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，而且沒(méi)有苛刻的操作環(huán)境要求，能夠在常溫常壓條件下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物 的制備。2、本發(fā)明所用的液體可以為高純度酒精，反應(yīng)過(guò)程不需要復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)試劑， 因此其合成的材料純度較高，沒(méi)有其它的化學(xué)雜質(zhì)。3、與傳統(tǒng)的液相中脈沖激光燒蝕相比，本發(fā)明中利用磁場(chǎng)有效控制納米材料的組 裝、生長(zhǎng)。材料在成核、生長(zhǎng)的過(guò)程中，受到外磁場(chǎng)能量的影響，形貌、結(jié)構(gòu)、成份等產(chǎn)生新的 變化，從而導(dǎo)致其物理化學(xué)性能上具有不同于傳統(tǒng)材料的特性。


圖1為本發(fā)明制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例1制備得到的氧化鐵(Fe203)微-納米棒的場(chǎng)發(fā)射電鏡照片圖。圖3為實(shí)施例1制備得到的氧化鐵(Fe203)微-納米棒的X射線衍射分析圖譜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例給出了一種在液相中制備微納米材料的裝置，裝置包括激 光器1 (采用Nd:YAG脈沖激光，激光波長(zhǎng)532nm，脈寬10ns，能量為100mJ，頻率為5Hz)、全 反鏡2、聚焦透鏡3、反應(yīng)靶4、反應(yīng)容器5、磁場(chǎng)施加裝置6，反應(yīng)靶4設(shè)置在反應(yīng)容器5中， 反應(yīng)容器5中有液相物質(zhì),液相物質(zhì)浸沒(méi)反應(yīng)祀4,磁場(chǎng)施加裝置6在反應(yīng)容器5外圍產(chǎn)生 磁場(chǎng)，激光器1產(chǎn)生的激光依次經(jīng)全反鏡2、聚焦透鏡3后聚焦在反應(yīng)靶4表面，工作時(shí)，磁 場(chǎng)和激光光源同時(shí)作用于反應(yīng)靶。反應(yīng)容器5采用石英玻璃容器。反應(yīng)靶4為圓形的高純 鐵靶(純度為99. 99%)，直徑為10mm，厚5mm ;外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為9T。液相物質(zhì)采用酒精溶液。本實(shí)施例在制備微納米材料的具體方法是(1)將高純鐵靶放入石英玻璃容器中，向石英玻璃容器中注入酒精，使酒精浸沒(méi)鐵 靶，并且酒精溶液的上表面高于鐵靶上表面5mm ；(2)調(diào)節(jié)激光光路，使脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光光束經(jīng)過(guò)全反鏡和聚焦透鏡后， 聚焦的激光照射在高純鐵靶與酒精的接觸表面，接觸表面產(chǎn)生等離子體羽；(3)開啟磁場(chǎng)電源，將磁場(chǎng)強(qiáng)度升至9T，使得反應(yīng)靶材周圍形成一個(gè)均勻磁場(chǎng)；開 啟脈沖激光電源，將激光頻率選擇5Hz，進(jìn)行脈沖激光燒蝕沉積反應(yīng)；(4)反應(yīng)過(guò)程持續(xù)30分鐘，然后關(guān)閉脈沖激光和電源，同時(shí)將磁場(chǎng)強(qiáng)度降為0T。然 后將進(jìn)行燒蝕反應(yīng)后的液體物質(zhì)取出一部分或全部，將其滴在單晶硅片襯底上，在70°C下 進(jìn)行真空干燥，收集得到微納米材料。對(duì)上述所得微納米材料進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析、X射線衍射分析測(cè)試場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片如圖2所示，由圖可見，多個(gè)納米球按一定方向排列， 自動(dòng)組裝成納米線。多數(shù)納米球的直徑在200 600nm,納米線長(zhǎng)度在1 20 y m。
X射線衍射分析圖譜如圖3所示，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以確認(rèn)制得的納米材料為氧化 鐵(Fe203)，對(duì)應(yīng)PDF卡片庫(kù)多種相的氧化鐵JCPDS 65-0390 (A表示)，JCPDS 21-0920 (B 表示)，JCPDS 16-0653 (C表示)，JCPDS33-0664 (D表示)，涉及四方、單斜等多種結(jié)構(gòu)。通過(guò)上述表征手段，可知本實(shí)施例制備得到的納米材料為氧化鐵(Fe203)納米球， 由于其尺度達(dá)到納米尺度，具有很高的比表面積，且在磁場(chǎng)的環(huán)境中生長(zhǎng)而成，因此在磁等 性能上與現(xiàn)有的氧化鐵微納米材料會(huì)有不同。根據(jù)這些性能上的不同，在磁學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物 等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。實(shí)施例2本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1 :本實(shí)施例中采用的反應(yīng)靶為圓形的 高純鍺靶(純度為99%)，直徑為25mm，厚15mm。激光器采用Nd:YAG脈沖激光，激光波長(zhǎng) 532nm，脈寬10ns，能量為50mJ，頻率為1Hz。反應(yīng)容器采用石英玻璃容器。液相物質(zhì)采用去 離子水溶液。在制備過(guò)程中，磁場(chǎng)強(qiáng)度升至1T，使得反應(yīng)靶材周圍形成一個(gè)均勻磁場(chǎng)；開啟脈 沖激光電源，進(jìn)行脈沖激光燒蝕沉積反應(yīng)。實(shí)施例3本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1 :本實(shí)施例中采用的反應(yīng)靶為圓形的 高純金靶(純度為99. 999% )，直徑為5mm，厚3mm。激光器采用Nd: YAG脈沖激光，激光波長(zhǎng) 532nm，脈寬10ns，能量為800mJ，頻率為10Hz。反應(yīng)容器采用石英玻璃容器。液相物質(zhì)采用 去離子水溶液。在制備過(guò)程中，磁場(chǎng)強(qiáng)度升至9T，使得反應(yīng)靶材周圍形成一個(gè)均勻磁場(chǎng)；開啟脈 沖激光電源，進(jìn)行脈沖激光燒蝕沉積反應(yīng)。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制備微納米材料的裝置，其特征在于，包括激光器、全反鏡、聚焦透鏡、反應(yīng)靶、液相物質(zhì)、反應(yīng)容器、磁場(chǎng)施加裝置，反應(yīng)靶設(shè)置在反應(yīng)容器中，反應(yīng)容器中有液相物質(zhì)，液相物質(zhì)浸沒(méi)反應(yīng)靶，磁場(chǎng)施加裝置在反應(yīng)容器外圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，激光器產(chǎn)生的激光依次經(jīng)全反鏡、聚焦透鏡后聚焦在反應(yīng)靶表面，工作時(shí)，磁場(chǎng)和激光光源同時(shí)作用于反應(yīng)靶。
2.一種制備微納米材料的方法，其特征在于，基于液相中脈沖激光燒蝕法，在反應(yīng)容器外圍加設(shè)磁場(chǎng)，制備時(shí)同時(shí)開啟磁場(chǎng)和激光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備微納米材料的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)將反應(yīng)靶置于反應(yīng)容器中，然后在反應(yīng)容器中注入液相物質(zhì)，液相物質(zhì)浸沒(méi)反應(yīng)靶；在反應(yīng)容器外圍設(shè)有計(jì)算機(jī)程序可控的磁場(chǎng)裝置； (2)調(diào)節(jié)脈沖激光光束的光路，使激光光束依次經(jīng)過(guò)全反射鏡和聚焦透鏡后聚焦在反應(yīng)靶與液相物質(zhì)的接觸表面，接觸表面產(chǎn)生等離子體羽； (3)開啟磁場(chǎng)，然后開啟脈沖激光，使靶材在外磁場(chǎng)作用的同時(shí)，在激光的作用下進(jìn)行液體環(huán)境中脈沖激光燒蝕反應(yīng)； (4)反應(yīng)30 120分鐘后，關(guān)閉脈沖激光，并使磁場(chǎng)強(qiáng)度降為零，然后取出反應(yīng)后的液相物質(zhì)，并對(duì)其進(jìn)行干燥、分離，最后得到微納米材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備微納米材料的方法，其特征在于，所述步驟(I)中，反應(yīng)靶為金屬單質(zhì)靶材或非金屬單質(zhì)靶材或合金靶材或摻雜靶材，金屬單質(zhì)靶材的單質(zhì)包括鍺、鉛、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、招、鎵、銦、金、銀、鉬、銀、鎘、猛、鈦、鎬、鉻、鑰、銀、鉭、鶴；非金屬單質(zhì)靶材的單質(zhì)包括碳、硅、硒、硼；所述反應(yīng)靶的靶材直徑為5 25mm，厚度為3 15毫米；所述反應(yīng)靶的形狀為圓形或方形，反應(yīng)靶的表面進(jìn)行磨平處理；反應(yīng)靶的純度為質(zhì)量含量在99% 99. 999% 之間； 所述反應(yīng)容器為玻璃容器或塑料容器；所述反應(yīng)容器的形狀為方形或圓形； 所述液相物質(zhì)為去離子水、有機(jī)溶液或摩爾濃度為10_3mOl. L—1 2mol. L—1的鹽溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備微納米材料的方法，其特征在于，所述玻璃容器為石英玻璃容器或普通硅酸鹽玻璃容器； 所述有機(jī)溶液為酒精、丙酮溶液； 所述鹽溶液為氯化亞鐵溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備微納米材料的方法，其特征在于，所述脈沖激光的頻率為I 10Hz。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備微納米材料的方法，其特征在于，所述磁場(chǎng)為恒定磁場(chǎng)或程序控制變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為IT 20T。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備微納米材料的方法，其特征在于，所述步驟(I)中，液相物質(zhì)的上表面高于反應(yīng)IE上表面2 20mm ； 所述步驟(4)中，干燥為真空干燥，干燥的溫度為50 80°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求2-8任一項(xiàng)所述的制備微納米材料的方法所制備的微納米材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微納米材料在磁學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備微納米材料的方法及裝置，以及上述方法和裝置所制備的微納米材料，以及上述微納米材料在磁學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域的應(yīng)用。該裝置是通過(guò)一個(gè)磁場(chǎng)施加裝置在反應(yīng)容器外圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。該方法是基于液相中脈沖激光燒蝕法，在反應(yīng)容器外圍加設(shè)磁場(chǎng)，制備時(shí)同時(shí)開啟磁場(chǎng)和激光光源。本發(fā)明中的制備方法可以利用磁場(chǎng)有效控制微納米材料的組裝、生長(zhǎng)，且該材料是在磁場(chǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)而成，因此在光、電、磁性能上與現(xiàn)有的微納米材料會(huì)有不同。根據(jù)這些性能上的不同，可應(yīng)用于磁學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B82Y30/00GK102658076SQ20121014632
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者劉璞, 李紅波, 楊國(guó)偉, 梁英 申請(qǐng)人:中山大學(xué)