激光诱导制备KNb3O8纳米线的方法与流程

激光诱导生成纳米线的方法，属于新型功能材料的制备技术领域。

背景技术：

激光诱导在衬底上制备纳米线的方法，是新颖的制备一维纳米结构的方法，其产物的形貌取决于激光照射的时间、激光功率、衬底表面催化剂的厚度和反应物浓度等多个因素的控制。与一些传统制备手段相比，具有许多优点，如样品制备时间较短、所制备出的纳米线结构长径比较大、形貌丰富多样等。

目前对KNb₃O₈纳米结构材料的制备主要有固相烧结法、熔盐法、高压水热法。但是用激光诱导方法制备KNb₃O₈纳米结构的研究和报道几乎还是空白。

本发明在适当的反应物配比及激光功率条件下，通过反应时间的控制，激光水热技术生成了KNb₃O₈一维纳米结构；获得的纳米线长度可达70μm，长径比可达50；并对其进行紫外-可见光谱测试和光致发光(PL)测试发现其可以有效的吸收400～475nm波长范围内的光谱。该方法的开拓有利于更简单的制备目标产物及性能研究，推动了新材料制备技术的实质性发展。

技术实现要素：

本发明提供了一种在适当的反应物配比及激光功率条件下，通过反应时间的控制，激光水热技术生成KNb₃O₈一维纳米结构的方法。

本发明所采用的激光诱导方法，包括以下工艺步骤：

1)将KOH晶体溶解到水中，配置浓度为25mol/L的氢氧化钾溶液；

2)称取的五氧化二铌粉体(Nb₂O₅)；将称取好的五氧化二铌粉末，加入到已经配好的氢氧化钾溶液中，使K：Nb的摩尔比例为50:1，用磁力搅拌器充分搅拌，使溶液混合均匀；

3)将石英玻璃用酒精超声清洗，再用去离子水洗涤若干次；

4)使用直流溅射方法，在石英衬底上先镀一层厚度为15nm～25nm的Ti；再使用喷金仪镀一层厚度为130nm～140nm的Au，作为KNb₃O₈纳米线生长的衬底；

5)将制备好的衬底放入一个耐碱容器底部，有金膜的一面朝上。将制备好的溶液倒入小容器中，没过衬底；

6)使用波长为405nm的半导体激光，激光电流为50mA，功率为1.2W，分别照射4-12min。

7)照射完毕，从溶液中用镊子取出衬底，用去离子水冲洗几次，从衬底的上表面得到KNb₃O₈一维纳米结构。

本发明的有益效果在于:

本发明利用简单的设备和巧妙的工艺控制，实现了激光水热法制备的KNb₃O₈一维纳米结构，获得了高长径比、形貌丰富的KNb₃O₈纳米线。

附图说明

图1a激光照射4min获得的KNb₃O₈扫描电镜图之一

图1b激光照射4min获得的KNb₃O₈扫描电镜图之二

图2激光照射6min获得的KNb₃O₈扫描电镜图

图3激光照射8min获得的KNb₃O₈扫描电镜图

图4激光照射10min获得的KNb₃O₈扫描电镜图

图5激光照射12min获得的KNb₃O₈扫描电镜图

图6激光照射10min获得的KNb₃O₈纳米线的XRD图

图7激光照射10min获得的KNb₃O₈紫外-可见光谱图

图8激光照射获得的KNb₃O₈光致发光(PL)光谱图

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点，但本发明决不仅局限于以下实施例。实施例中所涉及的主要参数的设置如下表所示：

根据激光吸收率公式：ρ为电阻率；λ为激光波长。

钛的电阻率为0.556μΩ·m；金的电阻率为2.4μΩ·m。激光波长为405nm，因此Au的吸收率远远大于Ti的吸收率。

Ti的热膨胀系数为9.41～10.03×10^-6/℃；Au的热膨胀系数为14.2×10^-6/℃激光照射时，金吸收的热量多，热膨胀系数大，实验时如果不镀Ti作为缓冲层，Au容易脱落。因此选择在石英玻璃衬底上镀Ti膜和Au膜。

实验过程中由于实验仪器的限制，激光电流不能超过60mA，而电流在46mA和55mA时，并没有线状物质生成。而且激光照射时间大于15min时，由于激光能量过大，金膜脱落。照射时间小于4min时，衬底表面没有物质生成。因此实验室采用激光电流55mA，在4～12min时间内照射。

产物的粉末X射线衍射(XRD)图谱采用的仪器为Bruker D-8 Advance粉末衍射仪(CuKα辐射，)；扫描电镜所用仪器为Hitachi S-3500型扫描电子显微镜；紫外-可见光谱仪型号为UV-3101PC；利用FLS980荧光光谱仪测试光致发光性能。

实施例1

称取2.0g(7.5mmol)的五氧化二铌粉体，然后将43.6682 g的KOH晶体溶解到30 mL的水中，配制成25mol/L浓度的氢氧化钾溶液，利用磁力搅拌器使其充分溶解；将称取研磨好的五氧化二铌粉末，加入到已经配好的25mol/L的氢氧化钾碱性溶液中，使用磁力搅拌器充分搅拌，使其充分混合；加入已放入衬底的容器中，用激光照射4 min。实验结束后将衬底从溶液里取出，用去离子水冲洗几次，得到KNb₃O₈一维纳米结构。

实施例2

称取2.0g(7.5mmol)的五氧化二铌粉体，然后将43.6682 g的KOH晶体溶解到30 mL的水中，配制成25mol/L浓度的氢氧化钾溶液，利用磁力搅拌器使其充分溶解；将称取研磨好的五氧化二铌粉末，加入到已经配好的25mol/L的氢氧化钾碱性溶液中，使用磁力搅拌器充分搅拌，使其充分混合；加入已放入衬底的容器中，用激光照射6 min。实验结束后将衬底从溶液里取出，用去离子水冲洗几次，得到KNb₃O₈一维纳米结构。实例2与实例1对比，纳米线成针尖状，长度比较长。由于纳米线数量增多，发光强度略高于照射4min时。

实施例3

称取2.0g(7.5mmol)的五氧化二铌粉体，然后将43.6682g的KOH晶体溶解到30mL的水中，配制成25mol/L浓度的氢氧化钾溶液，利用磁力搅拌器使其充分溶解；将称取研磨好的五氧化二铌粉末，加入到已经配好的25mol/L的氢氧化钾碱性溶液中，使用磁力搅拌器充分搅拌，使其充分混合；加入已放入衬底的容器中，用激光照射8min。实验结束后将衬底从溶液里捞取出，用去离子水冲洗几次，得到KNb₃O₈一维纳米结构。与实例2对比，纳米线比较分散，并未从团簇中长出，长度更长。纳米线数量更多，发光强度最大。

实施例4

称取2.0g(7.5mmol)的五氧化二铌粉体，然后将43.6682g的KOH晶体溶解到30mL的水中，配制成25mol/L浓度的氢氧化钾溶液，利用磁力搅拌器使其充分溶解；将称取研磨好的五氧化二铌粉末，加入到已经配好的25mol/L的氢氧化钾碱性溶液中，使用磁力搅拌器充分搅拌，使其充分混合；加入已放入衬底的容器中，用激光照射10min。实验结束后将衬底从溶液里取出，用去离子水冲洗几次，得到KNb₃O₈一维纳米结构。得到纳米线长度达到70μm，从团簇中长出。纳米线长度最长，但由于数量有限，发光强度并不是最高。

实施例5

称取2.0g(7.5mmol)的五氧化二铌粉体，然后将43.6682g的KOH晶体溶解到30mL的水中，配制成25mol/L浓度的氢氧化钾溶液，利用磁力搅拌器使其充分溶解；将称取研磨好的五氧化二铌粉末，加入到已经配好的25mol/L的氢氧化钾碱性溶液中，使用磁力搅拌器充分搅拌，使其充分混合；加入已放入衬底的容器中，用激光分别照射12min。实验结束后将衬底从溶液里取出，用去离子水冲洗几次，得到KNb₃O₈一维纳米结构。由于温度梯度变小，实施例5中的纳米线长度变短，发光强度较弱。