专利名称：一种反重力逆向合成硫化镉纳米线的方法
技术领域：
本发明属于纳米硫化镉线合成的相关技术领域，具体涉及一种反重力逆向合成硫
化镉纳米线的方法。
背景技术：
—维纳米材料是指在空间有两维处于纳米尺度的材料。在人们有目的。有意识地研究纳米材料的初始阶段，几乎都把精力集中在纳米微粒以及由其组成的三维纳米固体上。然而随着纳米科技的发展，二十世纪80年代初发明的SEM、 AFM等微观表征和操纵技术，如同人类在微观世界的眼和手，对一维纳米材料的研究起了巨大的推动作用。也随着各行各业对纳米材料要求的提高，研究热潮便逐步向一维纳米材料(纳米棒、线、管等)转移。碳纳米管的发现为低维纳米结构的研究与应用开辟了崭新的方向。目前，一维纳米材料是材料科学中最重要的研究前沿之一。这是因为其不仅对于搞清材料的维度和粒子的大小对材料的物理和化学性质的影响具有重要的意义，而且还在光学、磁学、微电子学和生物医药等领域有着广阔的应用前景。随着研究的不断深入，各种新颖的一维纳米材料如非碳纳米管、纳米棒、纳米丝和纳米同轴电缆、纳米带等相继被发现，引起了国际上的广泛关注。近年来对各种不同类型材料的单根纳米结构物性的成功测量，以及组装技术的不断完善，推动了一维纳米材料器件的发展，并对其生长机制的探索和控制合成提出了更高的要求。
—维纳米材料即包括人们熟知的碳纳米管，还包括各种新颖的非碳纳米管、金属、半导体纳米线、纳米带等。 一维纳米材料的研究多集中在碳纳米管上，碳纳米管的性能，特别是呈现金属性还是半导体性，与其直径与螺旋度密切相关，很难实现选择性的控制合成；而器件制备需要对材料的结构、组成与物性进行有效控制，但对碳纳米管进行有效控制掺杂至今还是一个很大的难题。近年来多种新颖一维纳米材料的控制合成为这一体系的研究提供了新的可能，比如对一维半导体纳米材料的掺杂就可以借用半导体工业的相应技术来实现。 纳米线、纳米管的种类繁多，自然界中具有层状排列形态的元素在特定条件下都
能形成管状结构，相当多的元素在特定生长条件下会形成纳米线。往往对于同一种元素，控
制其生长条件，产物则具有不同的特性和结构。如何在深刻理解一维纳米材料生长机制的
基础上发展新的控制合成方法，选择性的制备各种类型的具有特定功能的一维功能纳米材
料，探索其形成机制与控制原理方法，研究其组成结构与物性关系，是当前纳米科学技术研
究与发展的关键，也为一维纳米材料的控制合成提供了新的机遇与挑战。 单根一维纳米材料性能的测量早期主要是在未经组装情况下直接利用随机沉淀
的方法进行。 但是这种与随机沉积结合的测量性能的方法，仅仅局限于单根纳米材料性能的测量，而为了实现纳米器件的制作，即要知道单根纳米材料的性能，还要对其进行相应的组装，并对组装出的一维纳米材料阵列原型器件的性能进行表征。
基于一维纳米材科的纳米器件有如下三种
(1)纳米线传感器。因为一维纳米材料的电学输运性能随其所处环境、吸附物质的变化而变。通过对其电学输运性能的检测、就可能对其所处的化学环境作出检测。
2000年，戴宏杰等人观察到单壁碳纳米管的电阻在室温下与N02或NH3接触仅几秒钟后就有较大的变化，表现出比普通固态传感器更快的反应速度和更高的灵敏度。2001年，崔毅等人利用微流辅助模板组装掺杂了硼的Si纳米线制备了可望用于蛋白质表达和医疗诊断的传感器。通过适当的表面修饰，可使这种纳米线对不同物质的存在表现出电导率的变化，从而对其进行实时检测，对某些生物分子的检测灵敏度可达到皮摩尔量级。
如果探索合成出各种不同类型的一维纳米材料，并进行适当的表面化学修饰，这种基于一维纳米材料电学输运性能变化的传感器就可能成为对化学、生物领域的多种物质进行高灵敏、高选择性检测的新技术。 (2)纳米线激光器。2001年、杨培东等人利用Zn0的纳米线阵列成功制备了纳米激光器。室温下，这些纳米线自然形成良好的激光器共振腔，纳米线与蓝宝石的分界面和纳米线自由端表面正好成为共振腔两端的反射面。此时采用另一激光器来激发纳米线迫使其中的激子相互碰撞发射出波长半峰宽只有17nm的激光。此项工作引起国际上的广泛关注，如能改用电流来激活此类纳米激光器，就可能开发出新型光电纳米器件。段镶锋等利用掺杂的InP纳米线组装成P-n结，在其端点加以电压，观察到了电致发光的现象，制备了纳米线发光二极管(LED)。 通过选择不同电学性能的纳米线材料可能制备覆盖从可见光区到近红外各个波段的LED，而如果能够利用组装技术制备出交叉纳米线的网络结构，则可能制备高分辨率的LED阵列，这些工作最终可能制备真正电致激发的纳米激光器，并用于鉴别化学物质、提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。 (3)逻辑门计算电路。单壁碳纳米管与半导体纳米线都曾被用于制备基本的纳电子器件，如室温场效应管(FETs) 、 p-n结二极管和变极器等。 在这些工作的基础上.Dekker与Lieber等人分别利用碳纳米管与GaN纳米线作为基元组装制备了能够实现数字逻辑运算的电路。以GaN纳米线为例，采用微流辅助模板组装的技术自下而上地制得p-n结与场效应管。以此为基础组合成"或"、"与"、"非"逻辑门，并且能进一步相互连接形成计算电路。"或"、"与"、"非"逻辑门的可预测的组装。使组成几乎任何逻辑线路成为可能，这意味着一个实质性的进展。Tseng等人在相关评述中指出，这项工作及相关研究意味着我们"朝电子纳米计算机的实现迈出了激动人心的步伐"。
—维纳米材料的合成、组装与物性测量以及器件制各虽然起步不久，但已取得了很多非常有意义的研究成果。目前已经作了许多尝试来制备一维结构纳米材料，但合成这类材料仍然是一个巨大的挑战。特别对于半导体纳米管材料来讲，更是一个极待开发的领域。随着维数的减小，半导体材料的电子能态发生变化，其光、电、声、磁等方面性能与常规体材料相比有明显不同。有理由相信，随着对一维纳米材料生成机制的深入理解，新颖一维纳米材料的不断发现，特别是可控合成方法的建立、完善，及其组装、测量技术的不断成熟，一维纳米材料的各种奇异性质和功能必将得到更充分的发挥和利用。对一维体系的深入研究，极可能成为实现纳米器件集成、乃至制各真正的纳电子计算机的突破。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反重力逆向合成硫化镉纳米线的方法，解决了传统液相方法中较为繁琐的调控难题。 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案
(1)聚四氟乙烯薄膜的预处理 聚四氟乙烯薄膜裁减成适当大小的矩形薄膜，用去离子水反复加热清洗至中性，烘干后备用。
(2)利用聚四氟乙烯薄膜反重力液相制备硫化镉纳米线 分别配制等浓度的Na2S和CdCl2水溶液，将Na2S溶液置于锥形瓶中，表面封聚四
氟乙烯薄膜，倒置于装有CdCl2溶液的烧杯中反应2-4小时。 本发明提出的反重力逆向制备硫化镉纳米线的方法，具体步骤如下 (1)聚四氟乙烯薄膜的预处理 裁减聚四氟乙烯薄膜，在60-8(TC下，用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性；清洗后的薄膜置于真空干燥箱中减压干燥，备用；
(2)硫化钠和氯化镉溶液的制备 配制浓度为0. lmol/L的Na2S水溶液，浓度为0. lmol/L的CdC12水溶液，Na2S与
cdci2的摩尔比为7 : io-9 : io ; (3)逆向生长过程 室温下，将Na^溶液置于锥形瓶中，表面用干净的橡皮筋扎上步骤(1)处理的聚四氟乙烯薄膜；将封膜的锥形瓶倒置于装有CdCl2溶液的烧杯中，静置2-4小时后，硫化镉线即形成； (4)清洗及后处理 将步骤(3)合成的硫化镉纳米线经过纯水、无水乙醇交替清洗后，在乙醇中形成悬浊液储存，并进行系列分析表征。 本发明的优点在于实现了液相简单工艺条件下纳米硫化镉线的反重力逆向生长，满足一般实验室条件切不引入其他化学添加剂。工艺简单，条件要求低，易于操作，产物
纯度高。
图1是本发明的实验装置示意图。 图2是本发明的实施例1中产物的透射电子显微镜图。 图3是本发明的实施例1中产物的X射线衍射图。 图4和图5分别是本发明的实施例1中薄膜的扫描电子显微镜图。 图6是本发明的实施例1的反应机理示意图。 图中标号1为锥形瓶，2为聚四氟乙烯薄膜，3为烧杯。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
实施例1 :一种反重力逆向合成硫化镉纳米线的装置图，如图1所示，包括上部锥
5形瓶，底部烧杯和隔断的聚四氟乙烯薄膜。 反重力逆向合成硫化镉纳米线的合成步骤如下 (1)聚四氟乙烯薄膜的预处理。 (1-1)聚四氟乙烯薄膜裁减成适当大小的矩形，用去离子水和无水乙醇反复加热清洗至中性。
(1-2)充分清洗的薄膜置于真空干燥箱中减压干燥。
(2)硫化钠和氯化镉溶液的制备。
(2-1)配制0. lmol/L的Na2S水溶液100ml 。
(2-2)配置0. lmol/L的CdCl2水溶液80ml 。
CdCl2与Na2S的摩尔比为10比8时反应最佳。[OO48] (3)逆向生长过程。 (3-1)室温下将Na^溶液置于100ml锥形瓶中，表面用干净的橡皮筋扎上充分清洗的聚四氟乙烯薄膜。 (3-2)将封膜的锥形瓶倒置于装有CdCl2溶液的250ml的烧杯中。静置2_4小时后，硫化镉线即形成。优选方法为反应3小时。[OO51] (4)清洗及后处理。 (4-1)合成后的硫化镉纳米线经过纯水，无水乙醇的多次清洗后在乙醇中形成悬浊液储存，并进行一系列分析表征。 以上所提供较为适宜的反应条件，温度，压力，时间数值范围，并非完全制备必须遵循的参数。 图1为实验装置示意图。锥形瓶1内Na2S溶液，烧杯2内为CdCl2溶液，隔断薄膜3为含有孔道的聚四氟乙烯薄膜。 图2为产物CdS硫化镉的透射电子显微镜图，由图可知产物均匀分散稳定。
图3为产物CdS硫化镉的X射线衍射图，经过同JCPDF标准图谱比对，峰位值与强度与卡上立方晶型CdS的数据相一致，证明产物属于立方晶系，纯度较高，无杂峰出现，但衍射峰明显宽化。晶格常数a为5. 818 A。根据谢乐公式计算，产物的粒径为2. 8nm，与TEM
观察结果基本一致。 图4为聚四氟乙烯薄膜的扫描电子显微镜图，由图可知薄膜表面有许多沟渠(channels)和孔洞分布于膜内表面。这种沟渠(channels)和孔洞结构对于利用聚四氟乙烯膜诱导、控制合成由纳米微粒组装成的硫化镉线有重要的意义。 图5为聚四氟乙烯薄膜沟渠和孔洞内生成硫化镉纳米材料的扫描电子显微镜图。由图可知硫化镉线在其表面生成，呈现线状。 图6是本发明的反应机理示意图。溶液中的Cd2+离子扩散，进入模板孔道中；Cd2+离子受到S2—离子的进攻，生成CdS，多个CdS聚集形成晶核；晶核开始长大，纳米粒子通常是靠边生长的，由于膜孔径很小，在膜内孔道的作用下，同时CdS粒子也在毛细管力的作用下，沿模板壁向上生长，组装成线。CdS粒子不断脱离孔道，此时又有新的Cd2+离子和S2—离子进入，重复上述过程，线就不断变长，得到产物。
实施例2 : (1)聚四氟乙烯薄膜的预处理。
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(1-1)聚四氟乙烯薄膜裁减成适当大小的矩形，用去离子水和无水乙醇反复加热 清洗至中性。 (1-2)充分清洗的薄膜置于真空干燥箱中，70-80摄氏度减压干燥。
(2)硫化钠和氯化镉溶液的制备。 (2-1)配制0. lmol/L的Na2S水溶液100ml 。 (2-2)配置0. lmol/L的CdCl2水溶液80ml 。 CdCl2与Na2S的摩尔比为10比8时反应最佳。 (3)逆向生长过程。 (3-1)室温下将Na^溶液置于100ml锥形瓶中，表面用干净的橡皮筋扎上充分清 洗的聚四氟乙烯薄膜。 (3-2)将封膜的锥形瓶倒置于装有热(50摄氏度)的CdCl2溶液的250ml的烧杯 中。静置25-40分钟后，硫化镉线即形成。优选时间为30分钟。
(4)清洗及后处理。 (4-1)合成后的硫化镉纳米线经过纯水，无水乙醇的多次清洗后在乙醇中形成悬 浊液储存，并进行一系列分析表征。
权利要求
一种反重力逆向制备硫化镉纳米线的方法，其特征在于具体步骤如下(1)聚四氟乙烯薄膜的预处理裁减聚四氟乙烯薄膜，在60-80℃下，用去离子水和无水乙醇反复清洗至中性；清洗后的薄膜置于真空干燥箱中减压干燥，备用；(2)硫化钠和氯化镉溶液的制备配制浓度为0.1mol/L的Na2S水溶液，浓度为0.1mol/L的CdCl2水溶液，Na2S与CdCl2的摩尔比为7∶10-9∶10；(3)逆向生长过程室温下，将Na2S溶液置于锥形瓶中，表面用干净的橡皮筋扎上步骤(1)处理的聚四氟乙烯薄膜；将封膜的锥形瓶倒置于装有CdCl2溶液的烧杯中，静置2-4小时后，硫化镉线即形成；(4)清洗及后处理将步骤(3)合成的硫化镉纳米线经过纯水、无水乙醇交替清洗后，在乙醇中形成悬浊液储存，并进行系列分析表征。
全文摘要
本发明属于纳米硫化镉线合成的相关技术领域，具体涉及一种反重力逆向合成硫化镉纳米线的方法。具体步骤为聚四氟乙烯薄膜的预处理，硫化钠和氯化镉溶液的制备，经过聚四氟乙烯薄膜孔道作用，逆向生长出纳米硫化镉线，清洗及后处理。本发明的优点在于实施简单，产物单一稳定，反应中不引入其他化学添加剂。
文档编号C01G11/02GK101704546SQ20091019867
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者吴庆生, 寿一鸣 申请人:同济大学