纳米铜微粒制备试验

1、纳米铜微粒制备（物教101林哈）摘要纳米科技正是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特 性的科学技术。经过近十几年的急速发展，纳米科技已经形成纳米物理学、纳米 化学、纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米力学和纳米加工学等学科领 域。本实验用冷凝法制备纳米颗粒铜，不同压力下颗粒大小和色泽是不同的， 对 结果做了一些讨论分析。关键字：纳米颗粒铜蒸汽冷凝法引言20世纪80年代末以来，一项令世人瞩目的纳米科学技术正在迅速发展。纳米科技将在21世纪促使许多产业领域发生革命性变化。关注纳米技术并尽快投入到与纳米科技有关的研究，是本世纪许多科技工作者的历史使命。在物理学发展的历史上，人类对

2、宏观领域和微观领域已经进行了长期的、不断深入的研究。然而介于宏观和微观之间的所谓介观领域，却是一块长期以来未引起人们足够重视的领域。这一领域的特征是以相干量子输运现象为主，包括团簇、纳米体系和亚微米体系，尺寸范围约为11000nm）但习惯上人们将1001000nm范围内有关现象的研究，特别是电输运现象的研究领域称为介观领域。因而1100nm的范围就特指为纳米尺度，在此尺度范围的研究领域称为纳米体系。 TOC o 1-5 h z 摘 要 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 引言 1 HYPERLINK l bookmark0 o Current

3、Document .纳米微粒的制备 2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 纳米微粒制备方法 2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 本实验的蒸汽冷凝法 3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document .实验仪器 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 实验总设备 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 实验仪器部件 4 HYPERLINK l bookmark20

4、o Current Document .实验内容 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 准备工作 5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 制备铜纳米微粒 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 4实验现象的记录与分析 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 实验现象 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 实验现象分析 6 HYPERLINK l book

5、mark32 o Current Document 总结 7参考文献 7.纳米微粒的制备纳米微粒制备方法利用宏观材料制备微粒，通常有两条路径。一种是由大变小，即所谓粉碎法; 一种是由小变大，即由原子气通过冷凝、成核、生长过程，形成原子簇进而长大 为微粒，称为聚集法。由于各种化学反应过程的介入，实际上已发展了多种制备 方法。微粒制备通常有以下几种方法：（1）粉碎法（2）化学液相法（3）气相法本实验的蒸汽冷凝法在各类制备方法中，最早被采用并进行较细致实验研究的是蒸汽冷凝法。 本 实验亦采用此种方法。右图显示蒸汽冷凝法制备纳米微粒的过 程。首先利用抽气泵对系统进行真空抽吸，并 利用惰性气体进行置换。

6、惰性气体为高纯 Ar、 2He等，有些情形也可以考虑用 N气。经过几 次置换后，将真空反应室内保护气的气压调节 控制至所需的参数范围，通常约为0.1KPa至10KPa范围，与所需粒子粒径有关。当原材料被 加热至蒸发温度时（此温度与惰性气体压力有 关，可以从材料的蒸汽压温度相图查得）蒸发 成气相。气相的原材料原子与惰性气体的原子 （或分子）碰撞，迅速降低能量而骤然冷却。u_|_ 鼐汽常徽法原理4一原村的K汽 n初始成相 c龙成呐米微晶 p纸人丁的妫 聚浦拉 E一情11气体.气耳妁为卜打 B提F 纳米强物枚复壮G- 直空罩 H一一加热购K I电板骤冷使得原材料的蒸汽中形成很高的局域过饱 和，非常有

7、利于成核。下图左显示成核速率随 过饱和度的变化。成核与生长过程都是在极短 的时间内发生的，下图右给出总自由能随核生 长的变化，一开始自由能随着核生长的半径增大而变大， 但是一旦核的尺寸超过 临界半径，它将迅速长大。首先形成原子簇，然后继续生长成纳米微品，最终在 收集器上收集到纳米粒子。为理解均匀成核过程，可以设想另一种情形，即抽掉 惰性气体使系统处于高真空状态。如果此时对原材料加热蒸发，则材料蒸汽在真 空中迅速扩散并与器壁碰撞而冷却， 此过程即是典型的非均匀成核，它主要由容 器壁的作用促进成核、生长并淀积成膜。而在制备纳米微粒的过程由于成核与生长过程几乎是同时进行的， 微粒的大 小与饱和度P/

8、 Pe有密切关系，这导致如下几项因素与微粒尺寸有关。（1）惰性 气体的压力，压力越小碰撞几率越低，原材料原子的能量损失越小， Pe值降低 较慢。（2）惰性气体的原子量越小，一次碰撞的能量损失越小。 （3）蒸发速率越 快，P/ Pe越大。（4）收集器离蒸发源越远，微粒生长时间越长。实际操作时可 根据上述几方面的因素调P/Pe值，从而控制微粒的分布尺寸。r4一一1过恺和度IPCft*尚壬强总臼圉腌随忸t民的化化盘咳速卡的过饱和度的农化.实验仪器实验总设备HT-21B纳米微粒制备实验利用南京大学包 通科技开发公司研制的HT-218型纳米微 粒制备实验仪进行。实验仪器部件玻璃真空罩G置于仪器顶部真空橡

9、 皮圈的上方。平时真空罩内保持一定程度的低气压，以维护系统的清洁。当需要制备微粒时，打开阀门内让空气进入真空室，使得真空室内外气压相近即可掀开真空罩。真空罩下方真空室底盘P的上部倒置了一只玻璃烧杯F,用作纳米微粒的收集器。两个铜电极1之间可以接 上随机附带的螺旋状鸨丝Ho铜电极接至蒸发速率控制单元，若在真空状态下或 低气压惰性气体状态下启动该单元， 鸨丝上即通过电流并可获得1000c以上的 高温。真空底盘P开有四个孔，孔的下方分别接有气体压力传感器 E,以及连结 阀门内、”和电磁阀匕的管道。气体压力传感器E连结至真空度测量单元，并 在数字显示表1上直接显示实验过程中真空室内的气体压力。阀门 匕

10、通过一管 道与仪器后侧惰性气体接口连结，实验时可利用匕调整气体压力，亦可借助匕调 整压力。阀门匕的另一端直通大气，主要为打开钟罩而设立。电磁阀 匕的另一 端接至抽气单元并由该单元实行抽气的自动控制，以保证抽气的顺利进行并排除真空泵油倒灌进入真空室。蒸发控制单元的加热功率控制旋钮置于仪器面板上。 调节加热器时数字显示表用2直接显示加热功率。.实验内容准备工作(1)检查仪器系统的电源接线、惰性气体连接管道是否正常。惰性气体最 好用高纯Ar气，亦可考虑使用化学性质不活泼的高纯 n2气。(2)利用棉纸仔细擦净真空罩以及罩内的地盘、电极和烧杯。(3)讲螺旋状鸨丝接至铜电极。(4)从样品盒中取出铜片(用于

11、纳米铜粉制备)，在鸨丝的每一圈上挂上一 片，罩上烧杯。(5)罩上真空罩，关闭阀门片,12 ,讲加热功率旋钮沿逆时针方向旋至最 小，合上电源总开关51。此时真空度显示器，显示出与大气压相当的数值。而 加热功率显示值为零。(6)合上开关力，此时抽气单元开始工作，电磁闭 匕自动接通真空室内压 力下降。下降至一定值时关闭52 ,观察真空度是否基本稳定在该值附近，如果 真空度持续变差，表明存在漏气因素，检查是否关闭。正常情况下不应漏气。(7)打开阀门/,此时惰性气进入真空室，气压随之变大。(8)熟练上述抽气与供气的操作过程，直至可以按实验的要求调节气体压 力。(9)准备好备用的干净毛刷和收集纳米微粉的容

12、器。制备铜纳米微粒(1)关闭阀门，对真空室抽气至极限真空(约 0.05kPa)将压力表调零。(2)利用氮气冲洗真空室。打开阀门 匕使氮气进入真空室，边抽气边进气 几分钟。(3)调节阀门匕，使真空度基本稳定在0.13kPa附近。(4)沿顺时针方向缓慢旋转加热功率旋钮，观察加热功率显示器，同时关 注鸨丝。随着加热功率的逐渐增大，鸨丝逐渐发红进而变亮。当温度达到铜片的 熔点时，铜片熔化，并由于表面张力的原因，浸润至鸨丝上。(5)继续加大加热功率时，可以见到用作收集器的烧杯表面变黑，表明蒸 发已经开始。随着蒸发过程的进展，鸨丝表面的铜液越来越少，最终全部蒸发掉, 此时应立即将加热功率调至最小。(6)打

13、开阀门匕!使空气进入真空室，将压力达到大气压时，小心移开真空 罩，取下作为收集罩的烧杯。用刷子轻轻的将一层黑色粉末刷至烧杯底部再倒入 备好的容器，贴上标签。收集的细粉即是纳米铜粉。(7)在0.13kPa, 10乂0.13 kPa, 30乂0.13 kPa处重复上述实验步骤制备, 并记录每次蒸发时的加热功率。观察每次制备时蒸发情况有何差异。.实验现象的记录与分析实验现象氮气压力(kPa)样品颜色现象(相同与不同点)0.13黑色加热后鸨丝发亮，铜丝融化，然后汽化附 着在烧杯表面，颜色很深。1.3黑红色加热后鸨丝发亮，铜丝融化，然后汽化附 着在烧杯表面，颜色较之前浅些。3.9紫红色加热后鸨丝发亮，铜

14、丝融化，然后汽化附 着在烧杯表面，颜色较之前浅些。实验现象分析压强增大时，所得到的样品颜色变浅，出现红色。原因是较高压强下，原子 团和微晶相互碰撞从而凝聚，颗粒较大，而在较低压强下，成核生长值发生在离 核较近的距离，生成短程有序的微晶。对于较大的气压，铜可能颗粒较大而产生 金属光泽在试验中，第一次在0.13kpa下做的的试验样品是紫红色，检查时发现样 品中还有部分铜没有融化，原因可能是由于试验的加热功率比较小， 导致铜没有 完全融化。重新实验，加大功率，发现样品呈黑色。本次实验只是作为制备实验，不涉及测量纳米颗粒的大小。实验过程中，三 次不同的气压下，每次实验都是最先有白色的烟尘产生， 推测白色粉尘的成分应 为氧化鸨。原因可能是有少量的氧气。实验前要先判断鸨丝有没有接好，可以旋转加热按钮，看有没有电流。实验中加热时间不可过长，否则铜可能颗粒过大产生金属光泽。 注意观察铜 的液滴，完全融化时即可将加热功率调至最小。蒸发材料时，鸨丝将发出强烈耀眼的光，其中的紫外部分已基本被玻璃吸收。制成的纳米微粉极易弥散到空气中，收集时要尽量保持动作的轻慢。若需制备其它金属材料的纳米微粒，可参照铜微粒的制备。但熔点太高的金 属难以蒸发，而铁、锲与鸨丝在高温下易发生合金化反应，只宜闪蒸，