一种金属氧化物纳米线的可控图案化超快激光复合制备方法_2

文档序号:8331966阅读:来源:国知局
述微米凸起和/或所述微米凹坑表面上自组装形成纳米波纹、纳米颗粒或纳米颗粒团簇后的复合结构;
[0031]所述纳米波纹的周期可为100?lOOOnrn,所述纳米波纹的隆起高度可为10?lOOOnrn,所述纳米波纹的延伸长度可为10nm?10 μπι;
[0032]所述纳米颗粒可为球形、多边形或其它不规则外形,所述纳米颗粒或其团簇的大小可为I?lOOOnrn,具体可为100?500nm。
[0033]上述制备方法,步骤(2)中,通过对热氧化工艺中加热温度、保温时间和氧化气氛等因素的调控,可实现对金属氧化物纳米线的直径、长度和生长密度等的调控;
[0034]上述制备方法,步骤(2)中,所述氧化气氛可为氧气、空气或含有氧气的混合气体;
[0035]所述加热时,将所述金属氧化物纳米线前驱体置于耐热小舟中,所述耐热小舟的材质为石英或三氧化二铝;
[0036]所述加热时,升温速率可为I?10°C /min,具体可为10°C /min ;所述保温的温度可为400?600°C,具体可为400°C或500°C ;所述保温的时间为5min?5天,具体可为30min ?4h、30min ?2h、2h ?4h、30min、2h 或 4h ;
[0037]所述冷却为随炉冷却或从炉中取出后强制冷却。
[0038]本发明进一步提供了一种上述制备方法得到的图案化的金属氧化物纳米线,所述金属氧化物纳米线从所述金属氧化物纳米线前驱体的表面原位生出,是一种“微-纳-纳”跨尺度复合结构体系,具有高度的微纳米结构集成以及高的比表面积,得到的金属氧化物纳米线呈锥状,与金属基体具有良好的原位结合,有利于实现金属氧化物纳米线良好的半导体特性与金属氧化物自身优异的金属特性的集成,所述金属氧化物纳米线的直径可为10?500nm ;长度为I?50 μ m。
[0039]所述金属氧化物纳米线与所述金属氧化物纳米线前驱体的表面垂直。
[0040]本发明由于采用以上技术方案,具有以下优点:
[0041]1、本发明利用超快激光加工过程对金属表面微纳米前驱体结构分布形式的调控,可实现对金属氧化物纳米线分布形式的调控;同时,通过对热氧化工艺中加热温度、保温时间、氧化气氛等因素的调控,可实现对金属氧化物纳米线直径、长度、生长密度等的调控。
[0042]2、本发明中,金属表面微纳米前驱体结构的存在有利于加速金属氧化物纳米线的生长过程,缩短金属氧化物纳米线生长所需时间,是一种金属氧化物纳米线的高效制备方法。
[0043]3、本发明所用方法可在具有一定厚度的块体金属基体表面进行,打破了热氧化工艺中存在的对金属基体厚度的限制,从而提高了金属基体对所生成纳米线结构的支撑强度,有利于进行金属氧化物纳米线的大面积制备。
[0044]4、本发明中,金属氧化物表面微纳米前驱体结构对原位生成的金属氧化物纳米线具有钉扎作用,可有效减轻热应力导致的金属氧化物纳米线层的开裂、破碎和剥落等问题。
[0045]5、本发明中,金属氧化物纳米线直接在块体金属基体上生成,并经由表面微纳米前驱体结构,与基体形成了良好的原位结合,有利于实现金属氧化物纳米线良好的半导体特性与金属氧化物自身优异的金属特性的集成,有望在光电器件等领域获得应用。
[0046]6、本发明在金属表面微纳米结构的基础上进一步生成了一维金属氧化物纳米线,从而构成了一种“微-纳”或“微-纳-纳”跨尺度复合结构体系,具有高度的微纳米结构集成以及高的比表面积,可起到进一步优化、调控、和协同金属表面微纳米结构以及金属氧化物纳米线优异性能的作用。
[0047]7、本发明工序简单、操作方便,无需特殊的化学反应体系和复杂的化学反应过程,是一种环境友好的金属氧化物纳米线制备方法。
[0048]综上所述,本发明将超快激光制备表面微纳米结构和热氧化生成金属氧化物纳米线的工艺结合起来,可同时发挥超快激光高效灵活图案化加工和热氧化原位生成纳米线的优势,在微观上实现金属氧化物纳米线生长的同时,在宏观上自然地完成了金属氧化物纳米线的组装,加工过程简单、加工效率高,是一种经济实用的金属氧化物纳米线大面积可控图案化复合制备方法。
【附图说明】
[0049]图1为实施例1中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图和透射电镜图,其中,图1(a)和图1(b)为不同放大尺寸下,经激光辐照后块体铜表面得到的微纳米结构的扫描电镜图;图1(c)为在400°C保温2h后,微纳米结构原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图;图1(d)?图l(i)为分别在500°C保温lh、2h和4h后,微纳米结构原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图;图l(gl)和图l(il)分别为图1(g)和图l(i)对应的透射电镜图。
[0050]图2为实施例2中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图2(a)和图2(b)分别为线间距为30μπι和38 μ m时,经激光辐照后块体铜表面得到的微纳米结构的扫描电镜图;图2(c)?图2(f)为微纳米结构原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图。
[0051]图3为实施例3中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图3(a)为经激光辐照后块体铜表面得到的微纳米结构的扫描电镜图,图3(b)为微纳米结构原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图。
[0052]图4为实施例4中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图4(a)为经激光辐照后块体铜表面得到的微纳米结构的扫描电镜图,图4(b)为微纳米结构原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图。
[0053]图5为实施例5中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图5 (a)和5 (C)分别为线间距为50 μ m和100 μ m时,经激光福照后块体铜表面得到的微纳米结构的扫描电镜图,图5(b)和5(d)分别为上述图5(a)和5(c)中微纳米结构原位生出的CuO纳米线扫描电镜图。
[0054]图6为实施例6中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图6(a)和图6(b)分别为不同放大尺寸下,经激光辐照后块体铜表面得到的微纳米结构的扫描电镜图,图6(c)和6(d)分别为不同放大尺寸下,微纳米结构原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图。
[0055]图7为实施例7中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图7(a)为经激光辐照后块体铜表面得到的微纳米结构的扫描电镜图,图7(b)?图7(d)均为微纳米结构原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图。
[0056]图8为实施例8中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图8(a)?图8(c)分别为不同线间距下经激光辐照后块体铜表面得到的微纳米结构的扫描电镜图,图8(d)?图8(f)分别为图8(a)?图8(c)中微纳米结构原位生出的CuO纳米线扫描电镜图,图8(g)?图8(i)分别为图8(a)?图8(c)中微纳米结构原位生出的CuO纳米线扫描电镜图。
[0057]图9为实施例9中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图9(a)?图9(d)分别为不同放大尺寸下微纳米结构原位生出的CuO纳米线扫描电镜图。
[0058]图10为实施例10中制备得到的Cu表面的微纳米结构及原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,其中,图10(a)为块体铜表面经激光辐照后的照片,图10(b),图10(d)和图10(f)分别为经激光辐照后块体铜表面得到的微纳米结构不同区域的扫描电镜图,图10(c)和图10(e)分别为不同区域微纳米结构原位生出的CuO纳米线的扫描电镜图,作为对照,图10(g)为未经激光辐照的区域的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0059]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。
[0060]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。
[0061]下述实施例中实现氧化铜纳米线的可控图案化超快激光复合制备的基本原理是:利用超快激光在Cu表面制备出微纳米结构,作为CuO纳米线生长的前驱体,在进一步的热氧化处理过程中,CuO纳米线只在或优先在Cu表面微纳米前驱体结构上原位生出;通过调控超快激光参数以及激光束和Cu表面之间的相对运动,可对Cu表面微纳米结构的形貌、尺寸进行调控,从而使CuO纳米线生长的前驱体具有特定的图案化分布特征,CuO纳米线的生长在图案化的前驱体上进行,使得生长出来的CuO纳米线也具备图案化分布特征,从而实现了 CuO纳米线的可控图案化制备。
[0062]实施例1、皮秒脉冲激光制备Cu表面微纳米前驱体结构实现CuO纳米线图案化生长
[0063]本实施例CuO纳米线的可控图案化制备,包括如下步骤:
[0064](I)用机械磨削的方式去除块体Cu表面的氧化层,并使其表面达到一定的光洁度,然后用酒精清洗Cu表面,清洗后将块体Cu表面吹干或晾干。
[0065](2)选用皮秒脉冲激光,
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