專利名稱：全固態(tài)環(huán)境下制備金屬納米結(jié)構(gòu)材料的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種制備具有復(fù)雜表面形貌的金屬納米結(jié)構(gòu)材料的方法及裝置。
背景技術(shù)：
關(guān)于金屬納米材料的制備已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道[見(jiàn)文獻(xiàn)J.J.Zhu，S.W.Liu，O.Palchik，andet al.，Langmuir，16(2000)6396-6399；S.H.Chen，Z.Y.Fan，D.L.Carroll，J.Phys.Chem.B.，106(42)10777-10781；B.H.Hong，S.C.Bae，C.W.Lee，and et al.，Science，294(2001)348-351；P.K.Mukherjee and D.Chakravorty，J.Mater.Res.，17(2002)3127-3132；J.Zhang，X.Wang，X.Peng，and et al.，Applied Physics A，75(2002)485-488；G.J.Chi，S.W.Yao，J.Fan and et al.，Acta Physico-Chimica Sinica，18(2002)532-535；M.Barbic，J.J.Mock，D.R.Smith and et al.，J.Appl.Phys.，91(2002)9341-9345；S.Bhattachryya，S.K.Saha，D.Chakravorty，Appl.Phys.Lett.，77(2000)3770-3772；Y.Zhou，S.H.Yu，X.P.Cui and et al.，Chemistry of Materials，11(1999)545-549]，上述文獻(xiàn)中所公開(kāi)的這些材料包括規(guī)則的納米顆粒排列、納米線、納米棒、納米管，以及不規(guī)則的納米盤、納米樹(shù)等，歸納起來(lái)其金屬納米材料多是采用模板法以及利用含金屬離子的溶液沉積法制備出來(lái)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種全固態(tài)環(huán)境下制備金屬納米結(jié)構(gòu)材料的方法及裝置，即在全固態(tài)環(huán)境且無(wú)任何模板的條件下，在常溫、常壓和大氣中，通過(guò)改變金屬離子導(dǎo)電薄膜的外加電場(chǎng)制備出具有復(fù)雜表面形貌的金屬納米材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種全固態(tài)環(huán)境下制備金屬納米結(jié)構(gòu)材料的裝置，其特征在于該裝置包括直流電源，基片及沉積在其基片上的金屬離子導(dǎo)電膜，金屬陽(yáng)極和金屬陰極，所述的金屬陽(yáng)極為沉積在基片一端的且與所要制備的金屬納米材料相同的金屬膜，所述的金屬陰極為沉積在基片另一端與金屬陽(yáng)極相同或不同的金屬膜。
一種全固態(tài)環(huán)境下制備金屬納米材料的方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)將所要制備的金屬納米材料的離子導(dǎo)電膜沉積在基片上，然后在基片的一端沉積與所要制備的金屬納米材料相同的金屬膜作為陽(yáng)極，而在基片的另一端沉積與金屬陽(yáng)極相同或不同的金屬膜作為陰極；或者首先在基片上沉積金屬陽(yáng)極和陰極，然后再在其上沉積所要制備的金屬納米材料的離子導(dǎo)電膜；(2)在兩極間施加外加直流電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度為3000～11000伏特/米。
本發(fā)明所述的的基片采用單晶氯化鈉。
本發(fā)明的機(jī)理在于在外加電場(chǎng)作用下，陽(yáng)極金屬膜中的金屬原子會(huì)失去電子變成陽(yáng)離子，并且它會(huì)通過(guò)離子導(dǎo)電膜向陰極移動(dòng)，在陰極上金屬陽(yáng)離子會(huì)得到電子還原成金屬原子并在陰極表面形成晶核，進(jìn)而隨后而至的其它金屬陽(yáng)離子會(huì)在核上不斷堆積且漸漸長(zhǎng)大，并形成由陽(yáng)極金屬原子構(gòu)成的具有不同表面形貌的納米結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明金屬納米結(jié)構(gòu)的形貌是由兩極之間的電場(chǎng)決定的。
本發(fā)明提出了一種與現(xiàn)有技術(shù)完全不同的制備金屬納米材料的新方法，即采用全固態(tài)環(huán)境下，及常溫、常壓和大氣氣氛中，且無(wú)任何模板的情況下，利用金屬離子導(dǎo)電膜在外電場(chǎng)控制下制備出了具有各種不同形狀的金屬納米材料，具有方法簡(jiǎn)單，易于操作的優(yōu)點(diǎn)。


圖1a、1b是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是利用本發(fā)明制備的葉片狀金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料的掃描電子顯微鏡圖像，場(chǎng)強(qiáng)為3300伏特/米。
圖3是利用本發(fā)明制備的網(wǎng)狀金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料的掃描電子顯微鏡圖像，場(chǎng)強(qiáng)為7500伏特/米。
圖4是利用本發(fā)明制備的樹(shù)枝狀金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料的掃描電子顯微鏡圖像，場(chǎng)強(qiáng)為9000伏特/米。
圖5是利用本發(fā)明制備的織布狀金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料的掃描電子顯微鏡圖像，場(chǎng)強(qiáng)為11000伏特/米。
圖6是利用本發(fā)明制備的密網(wǎng)狀金屬銅納米結(jié)構(gòu)材料的掃描電子顯微鏡圖像，場(chǎng)強(qiáng)為10000伏特/米。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施，以進(jìn)一步理解本發(fā)明。
如圖1a、1b所示，本發(fā)明所述的裝置可采用兩種結(jié)構(gòu)方式，該裝置包括基片1，金屬陽(yáng)極2，金屬離子導(dǎo)電膜3，金屬陰極4，直流電源5。
制備金屬納米材料的前提是制備出該金屬離子的導(dǎo)電膜，也就是將能夠傳導(dǎo)該金屬離子的導(dǎo)電膜沉積在基片上，再在其一端沉積與所要制備的金屬納米結(jié)構(gòu)材料相同的金屬膜作為陽(yáng)極，而在另一端沉積與陽(yáng)極金屬相同或不同的金屬膜作為陰極，并使兩極分別與直流電源的相應(yīng)的正極和負(fù)極連接(如圖1a所示)。當(dāng)然，也可以采用圖1b的方案，即首先在基片上沉積金屬陽(yáng)極和陰極，然后再在其上沉積所需的金屬離子導(dǎo)電膜。這樣，在外加電場(chǎng)作用下，陽(yáng)極金屬膜中的金屬原子會(huì)失去電子變成陽(yáng)離子，并且它會(huì)通過(guò)離子導(dǎo)電膜向陰極移動(dòng)，在陰極金屬陽(yáng)離子會(huì)得到電子還原成金屬原子并在陰極表面形成晶核，進(jìn)而隨后而至的其它金屬陽(yáng)離子會(huì)在核上不斷堆積且漸漸長(zhǎng)大，并形成由陽(yáng)極金屬原子構(gòu)成的具有不同表面形貌的納米結(jié)構(gòu)材料。實(shí)驗(yàn)表明金屬納米結(jié)構(gòu)材料的形貌是由兩極之間的電場(chǎng)決定的。
在制備金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料時(shí)，我們選擇單晶氯化鈉作基片，陽(yáng)極為純銀膜或銀膠膜，陰極為銀膜、銅膜或鋁膜，銀離子導(dǎo)電膜為KxRb1-xAg4I5(x＝0~1)，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為3000～11000伏特/米。
在制備金屬銅納米結(jié)構(gòu)材料時(shí)，我們選擇單晶氯化鈉作基片，陽(yáng)極為純銅膜，陰極為銀膜、銅膜或鋁膜，銅離子導(dǎo)電膜為RbCu4Cl3I2，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為2000～10000伏特/米。
當(dāng)然，對(duì)于其它金屬納米結(jié)構(gòu)材料的制備，如鋰、鋅等金屬也存在其離子導(dǎo)電材料，所以本發(fā)明的制備裝置和方法是普遍適用于各種金屬納米材料的制備的，其關(guān)鍵所在是利用該金屬離子導(dǎo)電材料制成薄膜。
關(guān)于所需金屬離子的導(dǎo)電膜及其制備方法，在以下的文獻(xiàn)中已詳細(xì)公開(kāi)“V.K.Miloslavsky，O.N.Yunakova andJ.L.Sun.Exciton spectrum in superionic RbAg4I5conductor，F(xiàn)unct.Mater.1994，1，51-55”；“В.К.Милославский иЦ.Л.Сунъ.Оптический спектр и зкситоны всуперионном проводнике КAg4I5，Функц.Матер.1995，2，438-440”；“V.K.Miloslavskii，E.N.Kovalenko and O.N.Yunakova.Absorption spectrumand excitons in thin films of the solid electrolyte RbCu4Cl3I2，Phys.Solid State，1998，40，934-937”；“J.L.Sun，G.Y.Tian，Y.Cao and et al..Phase transition andtemperature dependence of the A1low-frequency exciton band parameters in quaternarycompound Rb0.5Cs0.5Ag4I5thin films，Chin.Phys.Lett.，2002，19，1326-1328”。
另外，本發(fā)明人曾在申請(qǐng)?zhí)枮?2121109.4，名稱為“一種固體電介質(zhì)晶體材料及其晶體薄膜的制備方法”同樣對(duì)金屬導(dǎo)電薄膜的制備方法進(jìn)行了說(shuō)明。
實(shí)施例1選擇陽(yáng)極為金屬銀膜，陰極為金屬鋁膜，離子導(dǎo)電膜為K0.75Rb0.25Ag4I5，外加電場(chǎng)為3300伏特/米，得到金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料為葉片狀(圖2)。
實(shí)施例2選擇陽(yáng)極為金屬銀膜，陰極為金屬銀膜，離子導(dǎo)電膜為RbAg4I5，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為7500伏特/米，得到金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料為網(wǎng)狀(圖3)。
實(shí)施例3選擇陽(yáng)極為銀膠膜，陰極為金屬銅膜，離子導(dǎo)電膜為RbAg4I5，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為9000伏特/米，得到金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料為樹(shù)枝狀(圖4)。
實(shí)施例4
選擇陽(yáng)極為金屬銀膜，陰極為金屬銀膜，離子導(dǎo)電膜為K0.5Rb0.5Ag4I5，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為11000伏特/米，得到金屬銀納米結(jié)構(gòu)材料為織布狀(圖5)。
實(shí)施例5選擇陽(yáng)極為金屬銅膜，陰極為金屬銀膜，離子導(dǎo)電膜為RbCu4Cl3I2，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為10000伏特/米，得到金屬銅納米結(jié)構(gòu)材料為密網(wǎng)狀(圖6)。
為得到各種不同的金屬納米結(jié)構(gòu)材料，其外加電場(chǎng)強(qiáng)度最佳值要大于3000伏特/米而小于離子導(dǎo)電膜的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種全固態(tài)環(huán)境下制備金屬納米結(jié)構(gòu)材料的裝置，其特征在于該裝置包括直流電源，基片及沉積在其基片上的金屬離子導(dǎo)電膜，金屬陽(yáng)極和金屬陰極，所述的金屬陽(yáng)極為沉積在基片一端的且與所要制備的金屬納米材料相同的金屬膜，所述的金屬陰極為沉積在基片另一端與金屬陽(yáng)極相同或不同的金屬膜。
2.采用如權(quán)利要求1所述的全固態(tài)環(huán)境下制備金屬納米結(jié)構(gòu)材料裝置的方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)將所要制備的金屬納米結(jié)構(gòu)材料的離子導(dǎo)電膜沉積在基片上，然后在基片的一端沉積與所要制備的金屬納米結(jié)構(gòu)材料相同的金屬膜作為陽(yáng)極，而在基片的另一端沉積與金屬陽(yáng)極相同或不同的金屬膜作為陰極；或者首先在基片上沉積金屬陽(yáng)極和陰極，然后再在其上沉積所要制備的金屬納米材料的離子導(dǎo)電膜；(2)在兩極間施加外加直流電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度為3000～11000伏特/米。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的基片單晶氯化鈉。
全文摘要
全固態(tài)環(huán)境下制備金屬納米結(jié)構(gòu)材料的方法及裝置，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括直流電源，基片及沉積在其基片上的金屬離子導(dǎo)電膜，金屬陽(yáng)極和金屬陰極。該方法是在全固態(tài)環(huán)境下，及常溫、常壓和大氣氣氛中，且無(wú)任何模板的情況下，利用沉積在基片上的金屬離子導(dǎo)電膜在外電場(chǎng)控制下制備出了具有各種不同形狀的金屬納米結(jié)構(gòu)材料，具有方法簡(jiǎn)單，易于操作的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B82B3/00GK1522952SQ03104878
公開(kāi)日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2003年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月21日
發(fā)明者孫家林, 孫紅三, 劉偉, 劉晟, 郭繼華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)