專利名稱：一種利用自蔓延高溫反應(yīng)合成SnO₂納米帶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料合成領(lǐng)域，尤其涉及一種Sn02納米帶的合成方法。
背景技術(shù)：
隨著當(dāng)代電子科技的高速發(fā)展，各種電子元器件日趨細(xì)微化。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)某些 場(chǎng)合的氣氛監(jiān)控，需要對(duì)相應(yīng)氣氛所含的各種各樣的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行有效的檢測(cè)與控制，所 以需要利用具有良好氣敏性、濕敏性的半導(dǎo)體材料制成相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。因此，具有 優(yōu)秀氣敏性、濕敏性的納米半導(dǎo)體材料的合成方法，在納米材料合成領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān) 注。目前，國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的相關(guān)納米半導(dǎo)體材料主要有Fe203、ZnO、ZnS、Sn02、Ti02、W03 等，其中以Sn02為主。Sn02納米帶是納米Sn02材料的一種，其憑借優(yōu)良的氣敏性和濕敏性， 成為了一種用途廣泛的半導(dǎo)體傳感器材料，采用Sn02納米帶制備的氣敏傳感器靈敏度高、 工作溫度低，在燃?xì)?、環(huán)保、石油化工等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。此外，特定價(jià)電結(jié)構(gòu)、小尺 寸效應(yīng)和反紅外輻射特性使得Sn02納米帶對(duì)可見(jiàn)光具有良好的通透性，在水溶液中能維持 良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此也被廣泛用于壓電電阻、光電子裝置、液晶顯示、太陽(yáng)能電池、透明 導(dǎo)電電極、防紅外探測(cè)保護(hù)器件等元器件的生產(chǎn)制造。目前，Sn02納米帶的合成方法主要有化學(xué)氣相沉積法，物理氣相沉積法，激光燒 蝕法，模版法，碳熱還原法，水熱合成法，溶膠_凝膠法等，化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積 法、激光燒蝕法、模版法等對(duì)設(shè)備要求較高，不適用于工業(yè)化生產(chǎn)；而碳熱還原法、水熱合成 法、溶膠-凝膠法等的制備工藝繁瑣，難以工業(yè)化。中國(guó)專利CN101671050A公開了一種利 用放熱反應(yīng)制備納米Sn02材料的方法來(lái)解決上述方法存在的問(wèn)題，該方法的裝置簡(jiǎn)單、工 藝簡(jiǎn)單且成本較低，利用該法可以得到帶狀結(jié)構(gòu)的Sn02納米帶，但該方法的配方較為繁復(fù)， 因配方中含有低熔點(diǎn)物質(zhì)導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)熱不足，使得制備的Sn02納米材料雜質(zhì)含量較高，微 觀形態(tài)各異，結(jié)晶度有限，因而不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種利用自蔓延高溫反應(yīng)合成高 純度、高品質(zhì)單晶Sn02納米帶的方法。本發(fā)明解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
一種利用自蔓延高溫反應(yīng)合成Sn02納米帶的方法，包括如下步驟
(1)按比例稱取A1粉、CuO粉和Sn粉并使三者混合均勻，其中A1粉、CuO粉和Sn粉的 質(zhì)量百分比分別為4 10%、20 37%、53 76% ；
(2)將上述所得的混合粉末裝入反應(yīng)裝置的反應(yīng)腔中，在氧氣氛下用鎂條點(diǎn)燃引火粉 進(jìn)而引燃混合粉末；
(3)利用反應(yīng)裝置上方的收集裝置收集所得的Sn02納米帶。作為優(yōu)選
1)混合粉末的粒徑為25 100微米；2)反應(yīng)裝置為帶有排渣錐孔的石墨容器；
3)反應(yīng)裝置上方的收集裝置1的半徑尺寸和反應(yīng)裝置的反應(yīng)腔2的高度尺寸相等；
4)氧氣氛由供氧器以3 5L/min的流量供氧來(lái)提供。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
1)本發(fā)明裝置簡(jiǎn)單、操作容易、實(shí)驗(yàn)條件溫和、制備成本低、生產(chǎn)效率高；
2)本發(fā)明制得的單晶Sn02納米帶具有高純度、高結(jié)晶度、粒徑分布均勻、分散性好且 化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明合成產(chǎn)物的X射線衍射譜線；
圖2是本發(fā)明合成產(chǎn)物的透射電子顯微鏡照片； 圖3是本發(fā)明合成產(chǎn)物的高分辨透射電子顯微鏡照片； 圖4是本發(fā)明反應(yīng)裝置的立體圖； 圖5是本發(fā)明反應(yīng)裝置的俯視圖； 圖6是本發(fā)明反應(yīng)裝置的剖面圖； 圖7是本發(fā)明反應(yīng)裝置的點(diǎn)火示意圖。其中，1 -收集裝置，2 -反應(yīng)腔，3 -排渣錐孔。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是基于自蔓延反應(yīng)來(lái)制備單晶Sn02納米帶，反應(yīng)裝置是自帶收集裝置和排 渣錐孔的石墨反應(yīng)器，在反應(yīng)過(guò)程中利用高溫氧化還原反應(yīng)熱作為熱源從而制備單晶Sn02 納米帶。本發(fā)明通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)
將A1粉、CuO粉、Sn粉按照一定比例混合均勻，按圖7所示將混合粉末放置于反應(yīng)裝置 的反應(yīng)腔2中，然后在充足的氧氣氛中用鎂條和引火粉引燃上述混合粉末，誘導(dǎo)自蔓延反 應(yīng)發(fā)生，其中，引火粉中各組分的質(zhì)量百分比為KN03 :58%、Mg :18%、A1 :20%、S :4%。在該 反應(yīng)過(guò)程中，A1粉和CuO粉是作為高熱劑提供熱量，當(dāng)混合粉末被鎂條引燃后，A1作為還原 劑與CuO迅速發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并在反應(yīng)過(guò)程中釋放大量的熱量，使得Sn粉熔化并噴出， 噴出的液態(tài)Sn在供氧充足的氧氣氛中快速氧化并冷卻后自然飄落在反應(yīng)裝置上方的收集 裝置1內(nèi)，即得到Sn02納米帶。本反應(yīng)過(guò)程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)主要有 4A1+6Cu0=2A1203+6CU Sn+02=Sn02
本發(fā)明所制備的Sn02納米帶的特征采用以下方法測(cè)試
1、X射線衍射本材料是Sn02納米帶，通過(guò)X射線衍射譜中的特征衍射峰來(lái)判斷產(chǎn)物 中是否含有二氧化錫和其他物質(zhì)；
2、透射電子顯微鏡通過(guò)透射電子顯微鏡可以清楚的觀察到Sn02納米帶的微觀形貌和 微觀尺寸；
3、高分辨透射電子顯微鏡通過(guò)高分辨透射電子顯微鏡可以觀察到Sn02納米帶的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)狀況，以鑒別所得單晶Sn02納米帶是否具有優(yōu)良的結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)完整性，并可以 標(biāo)定出所得Sn02納米帶的生長(zhǎng)方向，以指導(dǎo)相關(guān)的理論研究。為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1
首先，按照4 20 76的質(zhì)量比稱取粒徑為25-100微米的A1粉、CuO粉和Sn粉末后用 攪拌裝置將它們均勻混合，將所得的混合粉末裝入反應(yīng)裝置的反應(yīng)腔中，在其上均勻撒上 引火粉并插入鎂條。采用鎂條點(diǎn)燃引火粉進(jìn)而引燃混合粉末，誘導(dǎo)自蔓延反應(yīng)發(fā)生，在反應(yīng) 過(guò)程中采用小型供氧器以3L/min的流量供氧。反應(yīng)結(jié)束后就可在反應(yīng)裝置上方的收集裝 置內(nèi)收集到Sn02納米帶。該產(chǎn)品經(jīng)X射線衍射、透射電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡 表征果證明所得產(chǎn)品為高純度的Sn02納米帶完整單晶，其平均寬度(厚度)約為50nm。實(shí)施例2
首先，按照5 :22 :73的質(zhì)量比稱取粒徑為25-100微米的A1粉、CuO粉和Sn粉末后用 攪拌機(jī)將它們均勻混合，將所得的混合粉末裝入反應(yīng)裝置的反應(yīng)腔中，在其上均勻撒上引 火粉并插入鎂條。采用鎂條點(diǎn)燃引火粉進(jìn)而引燃混合粉末，誘導(dǎo)自蔓延反應(yīng)發(fā)生，在反應(yīng)過(guò) 程中采用小型供氧器以4L/min的流量供氧。反應(yīng)結(jié)束后就可在反應(yīng)裝置上方的收集裝置 內(nèi)收集到Sn02納米帶。該產(chǎn)品經(jīng)X射線衍射、透射電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡表 征果證明所得產(chǎn)品為高純度Sn02納米帶完整單晶，其平均寬度(厚度)約為45nm。所得Sn02納米帶的X射線衍射圖、透射電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡表征 結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2和圖3。從圖1中可以看出，所示衍射峰均為二氧化錫的特征峰值，未觀察 到其他物質(zhì)的特征峰值。圖2中清晰的呈現(xiàn)了所得Sn02納米帶的帶狀微結(jié)構(gòu)，利用標(biāo)尺可 以測(cè)得該納米帶的厚度(寬度)在50nm左右。圖3呈現(xiàn)出所得Sn02納米帶為單晶結(jié)構(gòu)，具 有良好的結(jié)晶度和完整晶體結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)有位錯(cuò)、孿晶、亞晶界等對(duì)材料性能影響較大的缺 陷。實(shí)施例3
首先，按照10 37 53的質(zhì)量比稱取粒徑為25-100微米的A1粉、CuO粉和Sn粉末后用 攪拌機(jī)將它們均勻混合，將所得的混合粉末裝入反應(yīng)裝置的反應(yīng)腔中，在其上均勻撒上引 火粉并插入鎂條。采用鎂條點(diǎn)燃引火粉進(jìn)而引燃混合粉末，誘導(dǎo)自蔓延反應(yīng)發(fā)生，在反應(yīng)過(guò) 程中采用小型供氧器以5L/min的流量供氧。反應(yīng)結(jié)束后就可在反應(yīng)裝置上方的收集裝置 內(nèi)收集到Sn02納米帶。該產(chǎn)品經(jīng)X射線衍射、透射電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡表 征果證明所得產(chǎn)品為高純度Sn02納米帶完整單晶，其平均寬度(厚度)約為35nm。
權(quán)利要求
1.一種利用自蔓延高溫反應(yīng)合成Sn02納米帶的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)按比例稱取A1粉、CuO粉和Sn粉并使三者混合均勻，其中A1粉、CuO粉和Sn粉的 質(zhì)量百分比分別為4 10%、20 37%、53 76% ；(2)將上述所得的混合粉末裝入反應(yīng)裝置的反應(yīng)腔中，在氧氣氛下用鎂條點(diǎn)燃引火粉 進(jìn)而引燃混合粉末；(3)利用反應(yīng)裝置上方的收集裝置收集所得的Sn02納米帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用自蔓延高溫反應(yīng)合成Sn02納米帶的方法，其特征在于 所述的混合粉末的粒徑為25 100微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用自蔓延高溫反應(yīng)合成Sn02納米帶的方法，其特征在 于所述的反應(yīng)裝置是帶有排渣錐孔的石墨容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用自蔓延高溫反應(yīng)合成Sn02納米帶的方法，其特征在 于所述的反應(yīng)裝置上方的收集裝置的半徑尺寸和反應(yīng)裝置的反應(yīng)腔的高度尺寸相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用自蔓延高溫反應(yīng)合成SnO2納米帶的方法，包括以下步驟首先，按比例稱取Al粉、CuO粉和Sn粉并使三者混合均勻，其中Al粉、CuO粉和Sn粉的質(zhì)量百分比分別為4~10%、20~37%、53~76%；接著，將上述所得的混合粉末裝入反應(yīng)裝置的反應(yīng)腔中，在氧氣氛下用鎂條點(diǎn)燃引火粉進(jìn)而引燃混合粉末；最后，利用反應(yīng)裝置上方的收集裝置收集所得的SnO2納米帶。采用本發(fā)明合成SnO2納米帶，裝置簡(jiǎn)單、操作容易、實(shí)驗(yàn)條件溫和、制備成本低、生產(chǎn)效率高，所得SnO2納米帶具有高純度、高結(jié)晶度、粒徑分布均勻、分散性好且化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，可用于半導(dǎo)體傳感器的制備。
文檔編號(hào)C01G19/02GK102001700SQ20101057492
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者劉念, 張國(guó)棟, 楊兵 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)