八面体纳米颗粒的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料技术领域，具体地说，涉及一种利于化学气相沉积法制备尺寸均匀In2O3八面体纳米颗粒的设计方法。
【背景技术】
[0002]对纳米结构的尺寸、形貌、结晶度以及晶体趋向等结构特征的有效控制是纳米制备科学当前亟需发展的一个重要方向。
[0003]尺寸的有效调控是实现纳米器件集成和微型化加工的关键。在不同的制备方法中可以通过特定的方法实现尺寸的调控，如:I)溶液法，可以通过调整反应物先驱体的溶度、溶液的酸碱度和温度对生长过程的晶核形成和晶体表面生长速度进行控制，得到尺寸均匀的纳米结构，但该方法得到的纳米结构由于生长温度低，结晶性相对较差，在一定程度上影响其作为器件应用时性能的稳定性;2)分子束外延，可以精确实现原子级别的尺度控制，但是其成本昂贵，较难实现工业化应用；3)模板法，通过在刻蚀的模板上进行沉积，实现尺度的控制，但其刻蚀的精度取决于刻蚀的模板，而模板通常采用质地较软的材料，其刻蚀的尺度和精度都有待提高。4)化学气相沉积法，通过控制反应实验条件可以调控纳米结构的尺寸。另外还有诸如化学刻蚀、激光烧蚀、模板限域等方法。各种方法中，化学气相沉积法由于其材料生长在高温条件下进行，得到的纳米结构结晶性较好，能够很好地满足纳米器件工作时性能稳定的要求，因为具有广阔的应用前景。
[0004]在化学气相沉积法中，针对尺寸的控制目前发展比较成熟的有以下几种方法:I)在催化生长中，通过控制催化剂颗粒的尺寸从而能够很好地调控纳米结构的尺寸，但是该种方法目前仅仅局限在一维纳米结构直径控制上，而对于其他维度结构的控制无法有效发挥作用;2)引入晶仔诱导生长，通过在衬底上旋涂一层生长材料的小晶体颗粒，诱导后续的结构生长，该方法尤其在ZnO纳米棒阵列的生长中得到广泛应用;3)通过控制反应物的蒸气压和生长时间，高的蒸气压和长的生长时间导致大尺寸结构的生长，相反低的蒸气压和短的生长时间导致小尺寸结构的生长。上述方法在一维纳米结构生长中取得了巨大成功，能够较好地实现尺寸和均匀性的控制。
[0005]—种常规的化学气相沉积法制备In2O3八面体纳米颗粒，是将含有O2气的载气通入到原料中，自加热开始至制备结束通入O2气量一直保持不变，且原料区和衬底区加热温度也没有变化，如图1所示为上述常规实验方法中反应物蒸气压的变化曲线。从图1可以看出，反应物的蒸气压在整个反应过程中都处于比较高的数值，因此整个生长过程中都会伴随着已生成晶核的生长和新晶核不断的形成。先期形成的晶核生长周期较长，生长结束后的晶粒尺寸较大;后期形成的晶核生长周期较短，生长结束后的晶粒尺寸较小。由于不同时刻都有晶核形成，所以它们的生长周期有长有短，生长结束后晶粒的尺寸分布较宽。因此到目前为止在化学气相法中还没有很好的方法能够实现对纳米颗粒尺寸均匀性的控制。
【发明内容】
[0006]为了实现尺度均匀In2O3八面体纳米颗粒的制备，提出了一种基于反应过程饱和度控制，实现晶体生长中近一次性形核和晶核同步生长的控制，制备尺寸均匀可控的In2O3八面体纳米颗粒，本发明涉及的制备方法对其它材料体系纳米结构的尺寸及均匀性控制具有重要的指导意义。
[0007]—种尺寸均勾Ιη2θ3八面体纳米颗粒的制备方法，步骤为:
1)在反应容器内设置可独立控温的两个温区，分别为原料区和衬底区，以高纯度的In金属颗粒作为原料，放置于原料区;在衬底区放入衬底；
2)反应前，向反应容器内通入载气，将反应容器内的空气排出；
3)对原料区和衬底区分别加热，原料区的温度为900-100(TC，保温;衬底区的温度为400-500 °C，保温；
4)当原料区和衬底区温度达到上述温度后，调整为载气与氧气的混合气体，保持至整个加热过程结束；
5)步骤3)中保温结束后，原料区降温至700-800°C，保温;衬底区升温至500-700°C，保温;保温结束后自然冷却至室温，制备过程结束，得到本发明的In2O3八面体纳米颗粒；
6)保温结束后，将混合气体调整为纯载气，并保持至反应设备自然冷却到室温后停止。
[0008]本发明采用陶瓷舟承载原料，为了去除陶瓷舟中的杂质污染，使用前将陶瓷舟经过1200-1500°C煅烧处理，所述陶瓷舟放置于原料区。
[0009]为了方便后期使用扫描电子显微镜对产物形貌进行表征，所述衬底采用Si片。
[0010]为了保证最终产物的纯度，所述原料金属In颗粒的纯度299.99%，粒径< 0.5mm。
[0011]进一步的，所述步骤2)中载气为氮气或惰性气体，通入载气流量为100-200sccm,时间为30-60min，所述载气的纯度2 99.999%。
[0012]在所述步骤3)中为了在相对较长的反应过程中，提供较短的生长周期，从时间尺度上近似认为是一次性形核，该步骤中原料区和衬底区的保温时间为3-8min，衬底区的温度与原料区的温度在时间上保持同步。
[0013]进一步的，所述步骤4)中载气与氧气的体积比为40-50:1-3，所述载气及氧气的纯度均 2 99.999%。
[0014]在所述步骤5)中为了提供相对较长的反应过程，该步骤中原料区降温后保温时间为50-90min，衬底区升温后保温时间为70-90min。
[0015]在所述步骤5)中为了使反应物的过饱和度减小，抑制新晶核的形成，使后续生长过程只是已生成晶核的生长，该步骤中原料区和衬底区需要较小的温差，原料区降温后和衬底区升温后的温差为100-300 °C。
[0016]进一步的，所述步骤5)中原料区降温速率为40-60 °C/min，沉淀区升温速率为40-6CTC/min0
[0017]与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是:本发明提出的尺寸均匀In2O3八面体纳米颗粒的化学气相沉积制备方法，解决了制备过程中不同时刻晶核形成导致生长时间不同从而造成尺寸分布不均的问题，通过对载气气氛、原料区加热温度、衬底区加热温度以及它们之间温差和保温时间的控制，实现了反应过程中的一次性形核和晶核同步生长，从而得到尺寸均匀的ImO3八面体纳米颗粒;得到纳米颗粒的结晶度高，物理化学性能稳定，能够较好的满足纳米器件对性能稳定性的要求;制备过程操控简便，只需要调节加热温度及其保温时间和载气气氛即可完成。
【附图说明】
[0018]
图1.【背景技术】中常规方法的反应物蒸气压曲线；
图2.本发明方法中反应物蒸气压曲线；
图3.常规方法和本发明方法中In2O3八面体纳米颗粒生长过程示意图；
图4.实施例1制备的In2O3八面体纳米颗粒的X射线衍射图谱；
图5.实施例1制备的In2O3八面体纳米颗粒的电子显微镜扫描图；
图6.实施例2制备的In2O3八面体纳米颗粒的电子显微镜扫描图；
图7.实施例3制备的In2O3八面体纳米颗粒的电子显微镜扫描图；
图8.对比例制备的In2O3八面体纳米颗粒的电子显微镜扫描图。
【具体实施方式】
[0019]
下面结合【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
[0020]尺寸均匀纳米颗粒的制备可以利用尺寸效应来调控纳米颗粒的物理化学性能，同时尺寸的有效控制也能满足纳米器件集成和微型化对尺寸的加工要求，而且化学气相法在高温下制备的高结晶纳米结构作为纳米器件使用时能够满足其工作性能稳定的要求。本发明针对目前化学气相法制备纳米颗粒尺寸分布不均的问题，基于晶体生长控制原理，设计实验过程控制反应物饱和度变化，实现晶体生长中一次性形核和晶核同步生长的控制，实现了尺寸均匀可控的In2O3八面体纳米颗粒的制备，步骤为:
1)在反应容器内设置可独立控温的两个温区，分别为原料区和衬底区，以