专利名称：一种准一维金属氧化物纳米材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及准一维纳米线材料的制备方法，特别提供了一种采用原子层沉积技术制备金属氧化物纳米线的方法。该方法制备出的金属氧化物纳米线，表现出一定的择优取向生长特性，且可以很容易进行纳米线高度与宽度的控制，从而为制备不同尺寸金属纳米线材料提供了一种可能。
背景技术：
材料的晶粒尺寸达到IOOnm以下时、或材料的某一维度达到了纳米级，此种材料我们定义为纳米材料。纳米材料因其独特的结构具有一系列与常规粗晶材料迥异的性能， 一直以来得到了广泛的关注和研究。对纳米材料科学进行深入的研究，首先需要制备出合适的纳米材料。目前，世界范围内有许多科学家正致力于纳米材料的研究制备工作，并已经取得了许多突破性的研究成果。目前的实验和研究中，获得不同尺寸晶粒分布的方法通常有控制球磨时间；再结晶和二次再结晶；以及应力诱导晶粒长大等。在控制材料维度方面也同样取得了许多显著的研究成果，1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在赖斯大学制备出了第一种富勒烯，这种富勒烯是仅有零维的纳米材料；1991年日本筑波 NEC实验室的物理学家饭岛澄男在高分辨电镜下发现了一种仅有一维的管状碳纳米材料， 这就是碳纳米管；2004年英国的曼彻斯特大学的科学家安德烈 海姆等通过“微机械剥离” 法制备出了仅有几个原子层厚度的准二维材料，即石墨烯。宏观的块体材料的某一维度进入纳米级别后，其性能会发生巨大的变化。准二维材料石墨烯是目前已知硬度最大的材料，而宏观的碳材料石墨却是一种具有润滑效果的软质材料。由此可见，维度的改变会使材料获得某些非常独特的性能，近年来对制备不同维度的纳米材料的研究越来越多、越来越深入。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型金属氧化物纳米线的材料制备方法。该材料的特征是金属氧化物纳米线的长度可达到微米级别，而宽度和高度却仅有纳米级，是典型的一维纳米线材料，并呈现非晶结构。该工艺下制备出的纳米线具有一定的择优取向生长特性， 可以很容易通过控制生长时间、沉积温度对金属氧化物纳米线形态进行控制。同时，该方法操作简单易行，成本较低，易于在工业上实现和推广。本发明所采用的方法，主要原理是在原子层沉积生长过程中，采用高纯氮气将反应需要的前躯体三甲基铝、双氧水分批次吹入到反应腔中，饱和吸附在衬底表面的前躯体相互反应，生成氧化铝。在特定的生长温度、沉积时间下，实验中所使用的高定向热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite，H0PG)衬底表面上就会生长出线状结构 (Wire-like structure)的氧化铝(Al2O3)。该方法具体包括下列步骤
1)采用普通透明胶带对高定向热解石墨进行微机械剥离后，将其放置在原子层沉积设备的生长腔内，准备进行纳米线生长；2)将需要进行反应的原材料三甲基铝、双氧水装入反应源中，反应温度设定为 150°C，抽真空至SmTorr后启动程序自动控制反应过程；采用高纯N2作为反应辅助气氛，保证在反应腔中不会发生反应物氧化的现象；3)纳米线生长过程中，通过电阻丝加热方式使反应腔的温度稳定在预先设定的反应温度，反应源三甲基铝的反应和冲洗时间分别为4s、20s，双氧水的反应和冲洗时间分别为0. 2s、45s，通过设定的程序使反应重复进行；4)氧化铝纳米线的高度及宽度，通过控制反应周次进行控制。该方法采用原子层沉积技术，将两种反应物分批次通入到反应腔中，吸附在衬底表面的反应物发生化学反应生成金属氧化物纳米线。氧化铝纳米线之间相互平行，表现出一定的择优取向的生长特性；同时，该方法操作简单，成本较低，可以通过编写程序进行控制，易于在工业上实现和推广。
图1为生长温度150°C、沉积120周次的氧化铝薄膜的表面形貌SEM图。图2为生长温度150°C、沉积150周次的氧化铝纳米线的表面形貌SEM图。图3为为生长温度50°C、沉积120周次的氧化铝纳米线的表面形貌SEM图。图4为氧化铝纳米线透射电镜显微结构示意图。图5为氧化铝的衍射斑点图。表1为氧化铝纳米线的组分含量。以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式本发明提供了一种利用原子层沉积技术，从而沉积制备出金属氧化物纳米线的一种方法。本实施例采用三甲基铝及双氧水作为生长源，高纯氮气做为反应辅助气氛，制备出氧化铝(Al2O3)纳米线。氧化铝(Al2O3)纳米线的具体工艺过程1)用普通的透明胶带将A等级的高定向热解石墨的外表层剥离掉，迅速将剥离后的衬底放入原子层沉积设备的生长腔内，关闭腔室。2)将三甲基铝及双氧水装入设备的反应源内，检查气路后，对设备生长腔进行抽
真空处理。3)将反应腔的温度设定到反应温度，并启动开关进行加热，温控软件最终将温度稳定在150°C。4)反应腔的本底真空达到后8mTorr，将高纯氮气的气瓶出口压力设定在0. 3MPa 左右，并进行程序设定预热时间20min ；三甲基铝的吹入时间及冲洗时间分别为4s、 20s ；双氧水的吹入时间及冲洗时间分别为:0. 2s,45s ；反应周次120或150等。5)启动设定程序，进行氧化铝(Al2O3)的沉积生长。附图1为生长温度150°C、沉积周次120周下的氧化铝的表面形貌SEM图。从图上可以看出，此工艺下的氧化铝是一种薄膜的形态，而且氧化铝薄膜的连续性较差，有许多明显的孔洞存在。从形貌图上看不到明显的晶界存在，推断氧化铝薄膜为非晶态。附图2为生长温度150°C、沉积周次150周下的氧化铝的表面形貌SEM图。从图上可以看出此工艺下的氧化铝是一种线状的形态，纳米线在长度方向达到微米级，而在宽度及高度方向上仅有纳米级；纳米线之间相互平行，呈现一定的择优取向生长特性。可以发现，纳米线是覆盖在一层氧化铝薄膜之上，说明在氧化铝沉积过程中，氧化铝的生长模式发生了转变。为了进行对比，附图3为生长温度50°C、沉积周次120周下的氧化铝的表面形貌 SEM图。从图上可以看出此工艺下的氧化铝也同样是一种线状的形态。由图2、图3对比的结果可以得出这样的结论通过改变生长温度、沉积时间，可以对氧化铝的形态进行控制。附图4、附图5分别为氧化铝的高分辨显微结构、衍射斑点图，从衍射斑点为晕状可知，制备的氧化铝为非晶态。表 权利要求
1.一种准一维金属氧化物纳米材料的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤1)采用普通透明胶带对高定向热解石墨进行微机械剥离后，将其放置在原子层沉积设备的生长腔内，准备进行纳米线生长；2)将需要进行反应的原材料三甲基铝、双氧水装入反应源中，反应温度设定为150°C， 抽真空至SmTorr后启动程序自动控制反应过程；采用高纯N2作为反应辅助气氛，保证在反应腔中不会发生反应物氧化的现象；3)纳米线生长过程中，通过电阻丝加热方式使反应腔的温度稳定在预先设定的反应温度，反应源三甲基铝的反应和冲洗时间分别为4s、20s，双氧水的反应和冲洗时间分别为 0. 2s、45s，通过设定的程序使反应重复进行；4)氧化铝纳米线的高度及宽度，通过控制反应周次进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微机械剥离将胶带粘着在高定向热解石墨的表面上，均勻用力将热解石墨最外层撕掉，暴露出其新鲜表面。
全文摘要
本发明公开了一种准一维金属氧化物纳米材料的制备方法，该种纳米线材料是一种金属氧化物的纳米线，长度上可以达到数微米的级别，而在宽度及高度上仅有纳米级，材料呈现非晶的结构状态。该方法采用原子层沉积技术，将两种反应物分批次通入到反应腔中，吸附在衬底表面的反应物发生化学反应生成金属氧化物纳米线。氧化铝纳米线之间相互平行，表现出一定的择优取向的生长特性；同时，该方法操作简单，成本较低，可以通过编写程序进行控制，易于在工业上实现和推广。
文档编号C23C16/40GK102383105SQ201110354230
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者张成军, 徐可为, 王飞, 黄平 申请人:西安交通大学