无机化学一维纳米材料合成

无机化学一维纳米材料合成第一页，共六十二页，编辑于2023年，星期三一维纳米材料是指直径在1~100nm之间，而轴向长度可以达到微米量级的线性纳米材料[2]，如纳米线、纳米管、纳米棒以及近年来大量报道的纳米带等。一维纳米体系适合于研究光、电、场在一维方向上的性质，以及尺寸缩小所带来的机械性能的变化。它们是纳米尺寸的电子器件、光电子器件、机械传动装置的优良候选材料。第二页，共六十二页，编辑于2023年，星期三早期的一维纳米材料制备技术多采用“印刷板”技术，包括电子束（e-beam）或聚焦离子束（FIB）刻蚀、探针刻写、X射线曝光术等。这些技术存在着加工成本高、产量低的缺点，而基于化学合成的制备技术的研究在分散性、纯度以及成本上都具有很大的优势，正在成为一维纳米材料研究的活跃领域。形貌尺寸可控、化学组成可调、高纯度的一维纳米材料制备方法是许多研究小组孜孜以求的目标。第三页，共六十二页，编辑于2023年，星期三1、气相生长2、模板生长3、液相生长4、组装生长第四页，共六十二页，编辑于2023年，星期三利用气相生长来制备一维纳米材料，一般需要将前驱体加热到一定温度。常见的处理包括直接加热金属表面和化学气相沉积。利用多种辅助手段，可以得到了包括纳米管、带、线在内的按特定生长面单方向或多方向生长的一维纳米材料。第五页，共六十二页，编辑于2023年，星期三Cu新鲜表面快速升温到400~700℃CuO纳米线Y.N.Xia,NanoLett.

2002,2,1333.

第六页，共六十二页，编辑于2023年，星期三CVD制备碳纳米管H.J,DaiScience

1999,283,512第七页，共六十二页，编辑于2023年，星期三第八页，共六十二页，编辑于2023年，星期三P.D.YangScience2001,292,1897.ZnO纳米线第九页，共六十二页，编辑于2023年，星期三P.D.Yang,J.Am.Chem.Soc.2001,123,

3165.

Sinanowires第十页，共六十二页，编辑于2023年，星期三GaNnanowireC.M.Lieber,J.Am.Chem.Soc.2000,122,

188

第十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期三ZnO，SnO2，In2O3，CdO，Ga2O3和PdO2

Z.R.Dai,Z.W.Pan,Z.L.Wang,Adv.Funct.Mater.

2003,13,9.

第十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期三第十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期三(1)改变加热温度以及收集温区。不同温度区域内，产物的蒸气压是不同的，即过饱和度不同。(2)改变反应物组成。在制备MgO纳米线实验中，目前已报道的反应物有MgO、Mg

、MgB2等。当采用不含O的反应物时，含氧的反应容器是形成氧化物的主要原因。此外也可以用水蒸气作为氧源。在反应物前端放置固体S粉末，利用加热产生的S蒸气与反应物反应，还可以得到硫化物的纳米材料。(3)改变反应体系的压力和载气流量。其目的仍然是改变各区域的蒸气压，从而来调节化合物的沉降速度。第十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期三气相一维控制生长是目前研究最多的，也是最成熟的一维纳米材料的制备方法。但受前驱体的影响，利用此方法难以得到三元组分化合物以及掺杂化合物。同时，沉积在基底上的纳米材料基本上是杂乱无章的，只能用刻蚀的方法预先获得图案状的基底，随后沉积得到广义上的非单分散的阵列。随着刻蚀技术的发展，人们逐渐实现了单根纳米管/线的CVD可控生长。第十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期三模板应该包含有一维方向上的重复结构，利用这个重复结构可以实现一维纳米结构的可控生长。带有台阶的基底；准直孔道的多孔化合物；一维纳米材料模板；生物DNA长链分子第十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期三带有台阶的基底为模板J.R.Heath,Science

2003,300,112

第十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期三贵金属（Pd、Cu、Ag、Au）金属氧化物（MoO2、MnO2、Cu2O、Fe2O3）R.MPenner,Science2001,293,2227

第十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期三准直孔道的多孔化合物为模板介孔分子筛类聚合碳酸酯类阳极氧化铝类第十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期三MCM-41SBA-15

J.Soler-IlliaCurr.Opin.Colloid-InterfaceSci.

2003,8,109

第二十页，共六十二页，编辑于2023年，星期三nickelnanowiresinsidechannelsofSAB-15G.D.Stucky,Chem.Mater.2000,12,

2068

第二十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期三D.Y.Zhao,Adv.Mater.2003,15,1370

第二十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期三第二十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期三第二十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期三基于这些模板的制备方法有：电化学沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等第二十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期三Bi2Te3nanowirearray/templatecomposites.

R.Gronsky,Chem.Mater.2003,15,335

电化学沉积电化学沉积第二十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期三D.Crouse,Appl.Phys.Lett.

2000,76,49

第二十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期三化学气相沉积L.D.Zhang,Adv.Mater.

2001,13,1238

SingleCrystalSiliconnanowires第二十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期三溶胶-凝胶法TiO2nanotubesarrayS.Z.Chu,Chem.Mater.2002,14,266

第二十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期三碳纳米管为模板C.M.Lieber,Chem.Mater.1996,

8,2041

第三十页，共六十二页，编辑于2023年，星期三Mg(vapor)+Bnanowires

P.D.Yang,Adv.Mater.

2001,13,1487

第三十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期三P.D.Yang,Nature,

2003,422,599

第三十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期三Y.N.Xia,NanoLett.

2002,2,481

第三十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期三metallizedDNAnetworksofthenanowires.J.Richter,Adv.Mater.2000,12,507第三十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期三

选择生物分子做模板，并不仅仅是因为它比较容易得到小尺寸的纳米线，还可以利用生物分子本身所具有的选择性，来实现在特定表面的组装，以及制备完整的纳米阵列。现代的生物化学技术比较发达，特定病毒分子的基因突变容易发生，这意味着生物模板可以在很大程度上满足人们的需要，得到多种形貌、多种尺寸的纳米材料。第三十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期三

模板法使得纳米材料的生长可以按照人们的意愿来进行，产物基本涵盖了目前可制备的一维纳米材料。一些辅助手段保证了产物的结构完整性和形貌可控性，并且很容易获得良好的纳米阵列。但它的缺点也比较突出：首先是模板与产物的分离比较麻烦，很容易对纳米管/线造成损伤；其次，模板的结构一般只是在很小的范围内是有序的，很难在大范围内改变，这就使纳米材料的尺寸不能随意地改变；第三，模板的使用造成了对反应条件的限制，为了迁就模板的适用范围，将不可避免地对产物的应用造成影响。第三十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期三

在液相中的生长意味着反应条件比较温和。大多数化合物可以通过前驱体按照特定的反应来获得。与固相反应相比，液相反应可以合成高熔点、多组分的化合物。另外，液相浓度以及反应物比例是可以连续变化的，也就是说产物的形貌更容易调控。直接的液相反应的报道比较少，这是因为很难控制成核反应与生长反应的速率。在反应的初始阶段，所形成的颗粒基本是无定形的，生长方向基本是随机的，最终产物以圆形为主。若要使最初形成的晶核按照一定的方向生长，必须使之形成势能最优势面，或者是引入外力。第三十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期三Te在水溶液中倾向于聚合形成螺旋状的长链，它们按照某一方向上的聚合是能量有利的。H2TeO3酸还原以后所得到的胶体颗粒在长时间内会逐渐转变为单晶纳米线Y.Xia,

Adv.Mater.2002,14,1749

第三十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期三Y.Xia,

Adv.Mater.2002,14,1749

第三十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期三将前驱体与特定的成模剂（酸、碱或是胺）在合适的溶剂中按比例混合均匀，然后将混合物放入密封的容器中，在高温下反应一段时间。溶剂热法的优点是绝大多数的固体都能找到合适的溶剂。成模剂的选择能有效地改变产物的外形。

但是这种方法的缺点也很明显，它的产率低，产物的尺寸分布很广，与CVD方法相似。第四十页，共六十二页，编辑于2023年，星期三MnO2NanostructuresY.D.Li,Chem.Eur.J.

2003,9,300

第四十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期三聚乙烯醇体系

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）选择性地吸附在晶核的不同晶面上，使得各向生长同性遭到破坏，晶核继续合并生长得到的是纳米线，而不是纳米颗粒。Y.N.Xia,Chem.Mater.2002,14,4736第四十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期三胶束结构BaCrO4nanostructuresL.M.Qi,Adv.Mater.2003,15,1647

BaWO4nanostructuresL.M.Qi,

J.Phys.Chem.B

1997,101,3460

第四十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期三液相合成的优点是非常突出的，例如产物尺寸分布均匀，成分单一等；并且产物在液相中分散均匀，对下一步实现自组装非常有利。但受液相中各向生长同性的限制，需要特殊的方法来控制产物的形貌，因此其过程及后处理都比较麻烦。这也限制了液相合成一维纳米材料的使用范围。第四十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期三

一维纳米材料中的组装技术包括两个方面：零维材料组装成一维材料以及一维材料组装成有一定结构的阵列或网络结构。在组装技术中，不管是需要施加外力的后组装技术，还是利用前驱体自身的相互作用力的自组装技术，操纵都是比较复杂的。第四十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期三I.Rubinstein,Angew.Chem.Int.Ed.2003,42,5575

nanoparticlenanotubes第四十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期三Self-assemblyofsphericalcolloidsinV-shapedgrooves.Y.N.Xia,J.Am.Chem.Soc.2003,125,2048

第四十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期三PorousWiresfromDirectedAssembliesofNanospheresJ.B.Wiley,J.Am.Chem.Soc.2003,125,16166

第四十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期三架起“零件”与器件之间的桥梁要想实现对一维纳米材料的组装，必须要引入方向诱导调节因素。目前所采用的外加作用力有微观场作用力、微流体作用、L-B技术、磁场诱导以及基底诱导等。第四十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期三电场Crossednanowirejunctions

C.M.Lieber,Nature

2001,409,66

第五十页，共六十二页，编辑于2023年，星期三磁场G.M.Whitesides,J.Am.Chem.Soc.2003,125,12696

第五十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期三

与随机排列相比，微观场作用力更为可靠，并且组装的阵列是可控的，但是它们只适用于对这些微观场作用力敏感的材料，制备进行组装的基底的工艺也比较复杂。第五十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期三第五十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期三

C.M.Lieber,Science

2001,291,630

第五十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期三

通过L-B技术，具有较大长径比的一维纳米材料会形成“肩并肩”的排列方式，实现了在液相中的组装。P.D.Yang,J.Am.Chem.Soc.2001,123,

4360

第五十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期三P.D.Yang,J.Am.Ch