专利名称：一种实现一维纳米材料的光学可视化和/或有效标记的方法
技术领域：
本发明涉及一种实现一维纳米材料的光学可视化和/或有效标记的方法，属于纳米材料及其表征技术领域。
背景技术：
纳米材料是材料科学与技术重要的研究领域，在众多纳米材料体系中，一维纳米材料由于其独特的结构特点以及优异的光、电、磁、力、热等方面的性质，在纳米电子器件、 纳米传感器、纳米机械、纳米生物探测等领域显示出巨大的应用潜力。一维纳米材料是指空间有两维为纳米尺度的材料，如纳米线、纳米丝、纳米带、纳米棒以及纳米管等。多年来，对一维纳米材料的表征也发展了许多有效的手段，如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱、X射线衍射仪、纳米探针台、纳米操纵手以及各种电学和热学性质测量仪器等。这些表征仪器和手段在一维纳米材料的研究中起到了很大的作用。随着一维纳米材料研究的进展，对单根或者多根的一维纳米材料进行微观或宏观尺度上的可控操纵一直是一个重要而又难以解决的问题，这主要是因为一维纳米材料(比如单根碳纳米管)的直径往往只有几个纳米以下，而且大部分情况下制备出来的一维纳米材料与基底之间存在着很强的作用力，电子显微镜虽然分辨率很高，但是由于工作原理和条件的限制(如超高真空、工作空间小等)，使得现有的仪器手段很难实现对单根一维纳米材料进行可控的操纵。此外，在一维纳米材料(如单壁碳纳米管水平阵列)的拉曼光谱表针方面，对单根的一维纳米材料进行准确的定位是对其进行准确测量的首要步骤，在常规的研究中常常采用基底上做标记，然后利用拉曼光谱的面扫功能进行单根一维纳米材料的定位，这种方法费时又费力，并且所得的拉曼信号也不是很强。相比于电子显微镜，光学显微镜虽然分辨率不是很高，但是在光学显微镜下可以很容易实现对表征材料进行可控的操纵。如果能够发明一种方法，使得单根的一维纳米材料在普通的光学显微镜下就能够轻易地被看到，那么将会使一维纳米材料的可控操纵变得非常容易，从而方便对其进行更多的性质研究。同时，实现了一维纳米材料的光学可视化， 在对其进行拉曼光谱等表征时，也就有了一种很好的标记方法，能够非常方便地对其进行定位，从而使得对一维纳米材料的研究变得更加方便。另外，实现了一维纳米材料的有效标记，还可以起到辅助纳米材料的表征测量、纳米材料的操纵、纳米器件(如晶体管、传感器等)的构筑等作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有一维纳米材料表征手段的限制，通过一种方式实现单根一维纳米材料的光学可视化，并且能够对其进行有效标记，为其在光学显微镜等宏观尺度表征手段下的操纵提供可能性，还可用于辅助一维纳米材料的表征测量，一维纳米材料的操纵、纳米器件(如晶体管、传感器等)的构筑等。本发明提供的一种实现一维纳米材料的光学可视化和/或有效标记的方法，包括如下步骤将标记物负载在所述一维纳米材料上即能实现对所述一维纳米材料的光学可视化和/或有效标记；所述标记物为氧化钛、氧化硅、氧化锡、氧化钒、氧化锆、氧化铋、氧化铌、氧化锌和氧化银中的一种或多种。本发明提供的实现一维纳米材料光学可视化以及有效标记的方法，是指可以实现在光学显微镜甚至肉眼等不需要借助电子显微镜或原子力显微镜的方式下直接观察到单根的或者多根的一维纳米材料及其聚集体，该方法最大的优势在于可以实现单根一维纳米材料在光学观测手段下的清晰可辨。上述的方法中，所述标记物可为颗粒状，其粒径可为0. Inm 1mm，具体可为 50nm 50 μ m、IOnm Imm或20nm 500 μ m,这些颗粒状的标记物一般都具有较强的反光能力，能够很容易在光学显微镜甚至肉眼下识别出来。上述的方法中，所述一维纳米材料可为纳米线、纳米丝、纳米带、纳米棒或纳米管。上述的方法中，所述一维纳米材料具体可为纳米硅线、纳米&10、石墨烯纳米带、 SiC纳米线、GaN纳米线或碳纳米管等。上述的方法中，可将所述标记物的前驱体通过化学气相沉积在所述一维纳米材料上分解成所述标记物；所述标记物的前驱体可为所述标记物中金属元素的卤化物、氢氧化物或氮化物。上述的方法中，所述一维纳米材料的形貌可为聚团状、垂直阵列或水平阵列等。本发明提供的方法与现有技术相比，可以非常容易地在光学显微镜甚至用肉眼看到单根的一维纳米材料，并且方法简单，快捷高效，成本低廉，不会影响一维纳米材料的结构，也不会影响其力学、光谱学等性质；且对一维纳米材料的表征测量、一维纳米材料的操纵、纳米器件的构筑等起到很大的辅助作用。
图1是本发明实施例1中的工艺简易流程示意图，其中1为四氯化钛瓶，2为四氯化钛液体流速控制器，3为喷水控制器，4为生长一维纳米材料的基底，5为平行排列的一维纳米材料。图2是本发明实施例1制备的单根一维纳米材料上负载的标记物(二氧化钛)的扫描电子显微镜照片，主要用于示范一种典型的标记物颗粒的大小及形状，其中图2(A)为带有狭缝的基底的示意图，图2(B)为跨过狭缝生长的碳纳米管的扫描电子显微镜照片，图 2(C)为所用的三壁碳纳米管的透射电子显微镜的照片，图2(D)、(E)、(F)为负载有氧化钛颗粒的悬空碳纳米管的扫描电子显微镜照片。图3是本发明实施例1制备的单根一维纳米材料上负载的标记物(二氧化钛)的透射电子显微镜照片，主要用于示范一种典型的标记物颗粒与单根一维纳米材料结合的方式。图4是本发明实施例1得到的单根一维纳米材料的光学可视化的实际图片，从图中可以非常清晰地看到负载有标记物颗粒的单根一维纳米材料。
图5是实施例1中利用一维纳米材料的光学可视化实现的对单根一维纳米材料进行可控操纵的图片，图中弯曲的物体为一个探针，正在拨动一根悬空的碳纳米管。
具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1、利用四氯化钛作前驱体制备氧化钛颗粒实现单根碳纳米管的光学可视化具体工艺流程如图1所示，首先准备好生长在基底上的超长水平阵列碳纳米管， 为了方便对单根碳纳米管的后续操纵，可以选择一种带有狭缝的基底，使得碳纳米管跨过狭缝悬空生长；然后将四氯化钛液体通过注射器以一定的速度(O.OOlm/s)喷射在碳纳米管上，控制环境中的空气湿度在一定的范围内(50%的相对空气湿度)，然后将喷有四氯化钛烟雾的一维纳米材料静置15分钟，使其发生充分的化学气相沉积，最后，将负载有二氧化钛颗粒(粒径为50nm 50μπι)的碳纳米管在烘箱中进行干燥，时间为1小时，最后取出即可。本实施例制备的负载有二氧化钛颗粒的碳纳米管及其光学可视化的效果如图2、 图3和图4所示，由这些图可知，在悬空的碳纳米管管壁上成功地负载上了二氧化钛颗粒， 并且实现了单根碳纳米管在光学手段下的可视化。利用本实施例制备的负载有二氧化钛颗粒的碳纳米管的光学可视化对其进行可控操纵的示例如图5所示，由该图可知，借助于二氧化钛颗粒的标记作用带来的光学可视化，可以很容易找到单根碳纳米管所在的位置，并对其进行可控的操纵。实施例2、利用四氯化锡作前驱体制备氧化锡颗粒实现纳米氧化锌的光学可视化具体工艺流程同实施例1，选择一种带有狭缝的基底，使得水平阵列状一维纳米氧化锌跨过狭缝悬空生长，然后将四氯化锡液体通过注射器以一定的速度(O.OOlm/s)喷射在一维纳米氧化锌上，控制环境中的空气湿度在一定的范围内(50 %的相对空气湿度)，然后将喷有四氯化锡烟雾的一维纳米氧化锌静置3分钟，使其发生充分的化学气相沉积，最后，将负载有氧化锡颗粒(粒径为IOnm Imm)的一维纳米氧化锌在烘箱中进行干燥，时间为2小时，最后取出即可。实施例3、利用二氧化钛颗粒直接负载到聚团状或垂直阵列碳纳米管上将聚团状或垂直阵列碳纳米管置于均勻分散有纳米级二氧化钛颗粒(粒径为 20nm 500 μ m)的乙醇溶液中，然后进行超声分散30分钟，用毛细玻璃管吸取一滴溶液滴到载玻片上，此时单根或多根碳纳米管形成的管束上会负载少量的二氧化钛颗粒，待乙醇溶液挥发完毕，即可在光学显微镜下看到碳纳米管上负载的二氧化钛颗粒，进而通过这种方式即可对碳纳米管进行定位。
权利要求
1.一种实现一维纳米材料的光学可视化和/或有效标记的方法，包括如下步骤将标记物负载在所述一维纳米材料上即能实现对所述一维纳米材料的光学可视化和/或有效标记；所述标记物为氧化钛、氧化硅、氧化锡、氧化钒、氧化锆、氧化铋、氧化铌、氧化锌和氧化银中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述标记物为颗粒状，其粒径为0.Inm Imm0
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述一维纳米材料为纳米线、纳米丝、纳米带、纳米棒或纳米管。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述一维纳米材料为纳米硅线、纳米&10、石墨烯纳米带、SiC纳米线、GaN纳米线或碳纳米管。
5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于将所述标记物的前驱体通过化学气相沉积在所述一维纳米材料上分解成所述标记物；所述标记物的前驱体为所述标记物中金属元素的商化物、氢氧化物或氮化物。
6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于所述一维纳米材料的形貌为聚团状、垂直阵列或水平阵列。
全文摘要
本发明公开了一种实现一维纳米材料的光学可视化和/或有效标记的方法。包括如下步骤将标记物负载在所述一维纳米材料上即能实现对所述一维纳米材料的光学可视化和/或有效标记；所述标记物为氧化钛、氧化硅、氧化锡、氧化钒、氧化锆、氧化铋、氧化铌、氧化锌和氧化银中的一种或多种。本发明提供的方法与现有技术相比，可以非常容易地在光学显微镜甚至用肉眼看到单根的一维纳米材料，并且方法简单，快捷高效，成本低廉，不会影响一维纳米材料的结构，也不会影响其力学、光谱学等性质；且对一维纳米材料的表征测量、一维纳米材料的操纵、纳米器件的构筑等起到很大的辅助作用。
文档编号G01N21/00GK102564951SQ20121002709
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月8日 优先权日2012年2月8日
发明者张如范, 张莹莹, 谢欢欢, 魏飞 申请人:清华大学