纳米材料-物理气相合成

3.2物理气相合成通过固态物质的蒸发—冷凝过程形成超微粒子，不涉及严格意义上的化学反应本质—原材料在真空或低压气体（如氮、氩、氦、氖等惰性气体）中加热蒸发，产生的烟雾状超微粒子在容器的一定部位冷凝——形成薄膜或超微粉末主要用于制备金属以及难熔氧化物材料一、蒸发—冷凝中的基本问题1、金属烟焰气相蒸发，形成金属烟焰——合成基础金属烟焰一般包括：中心气相区、内层、外层由内向外存在温度梯度如：在氦气氛中形成的金属镁烟焰，由内向外：中心—小的球形和六角状颗粒混合物；内层—稍大的球形颗粒；中间层—较大的六角状颗粒；外层—棒状或片状颗粒温度增高，内层颗粒平均粒径增大，粒度分布变宽可以通过控制金属烟焰的形成条件，调整产物形貌、粒径分布和平均粒径——气体蒸发中的淬火效应2、平均粒径和粒子生长机制金属烟焰气相区内气体原子相互碰撞、吸附——成核和晶体生长气相制备中的溶剂——环境气氛对产物有很大影响：气氛种类、压力气相环境、气体压力—影响气体分子自由程—成核与晶体生长—粒径与粒径分布初始原料的形态和蒸发源的温度，影响金属烟焰的温度—产物的粒径与形貌蒸发源温度升高，环境气体压力增大，粒径分布变宽通过调节蒸发源的温度和控制压力，可以调节粒径及粒径分布气相区外的金属烟焰：温度低、不存在过饱和，不存在均匀成核，但存在颗粒生长——由颗粒之间的碰撞凝聚，小颗粒之间相连长大二、蒸发—冷凝中的加热方式一般加热方式：电阻加热其他加热方式：电弧放电、等离子体加热、高频感应、激光、电子束加热等1、电弧放电加热可以在惰性气氛中制备多种超微金属粒子，电弧电极对采用所要制备的金属—金属（或钨）电极对如：利用

-Fe作原料，通过电弧放电产生的气体被载气带入加热炉，保持在911~1393°C，形成

-Fe,通过液氮淬火，获得

-Fe颗粒2、等离子体加热分为：熔融蒸发、粉末蒸发、活性氢等离子体电弧蒸发三种过程：（1）向惰性气体放电产生的等离子体中输入固体粉末颗粒（2）使获得的超高温蒸气通过急冷装置在非平衡过程中凝聚关键：输入颗粒在等离子体中的行为及能否被完全蒸发如：在10kW的Ar等离子体中从线圈间隙向中心方向以4m/s的速度输入球形粉末粒子，对于20微米的硅和铌颗粒可以完全蒸发，增大到40微米则不能完全蒸发热导率与等离子体热导率成正比，与颗粒粒径成反比等离子体热导率与气体组成有关，如氢氩混合气体热导率>纯氩气热导率可以通过轴向或径向进料方式将粉体输入等离子体中加热3、高频感应加热如：通过高频感应将底部ZrO2坩埚内原料加热至1800~2000°C，产生的金属烟焰通过导管向上喷射，随载气到达沉积室的冷壁，凝聚，收集，残余气体由顶部逸出可生产磁记录材料用的高质量铁和铁磁合金粉体此外还有电子束、离子束、激光束加热等方式三、真空蒸发—冷凝法真空蒸发在固体表面冷凝原材料

蒸气

粉体优点：粒径分布窄，分散性较好缺点：难以收集改进：真空蒸发后的蒸气冷凝在动态油液面上，方便收集1-转盘，2-电动机，3-带轮4-蒸发源，5-容器，6-油和粉体混合物，7-油，8-连接真空泵9-蒸发源，10-液体，11-真空室，12-微粒13-液膜，14-转动方向可通过调节转盘的转速控制产物粒径，通过向油中添加表面活性剂减少粒子间团聚四、物理气相合成方法的应用1、纳米结构氧化物薄膜如：ZnO:Al/Si(001)和ZnO/Si(001)薄膜的制备以单晶硅为基底，多晶ZnO陶瓷或多晶(ZnO)1-x(Al2O3)x陶瓷为靶材，通过电子束蒸发，真空蒸发—凝聚制备基底温度~250°C

电子束加热扩散蒸发源

气态

碰撞形成聚集体

与表面原子或分子碰撞捕获原子分子长大，或由于原子或分子脱离变小

增大到一定程度形成晶核，并继续长大

晶核之间相连形成网络结构，网络之间被填充，形成薄膜2、BaTiO3-SrTiO3超晶格的制备通过激光束轮流轰击BaTiO3和SrTiO3靶材，使BaTiO3和SrTiO3轮流在基底上沉积，形成BaTiO3-SrTiO3超晶格形成的超晶格与固溶体Ba0.5Sr0.5TiO3的电/介电性能有很大差别在超晶格界面间存在晶格应力BaTiO3在c轴方向的晶胞参数变大，使介电常数增大立方SrTiO3:a=3.905Å

立方BaTiO3:a=4.031Å

四方BaTiO3:a=3.994Å,c=4.038Å3、NbAl3合金纳