[发明专利]一种一维金属氧化物纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及低维纳米材料的制备方法，特别涉及过渡金属氧化物纳米线、纳米带、纳米片的制备方法。

背景技术

电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，而对目前硅集成电路而言，当其再进一步发展到线宽小于100nm，即“纳米电子器件”时，对设备和制造工艺将提出更高的要求，成本增加巨大，传统工艺的局限性越来越明显，为此，全世界都将下一代纳米电子器件的研究目光投向了低维纳米材料。低维纳米材料由于具有小尺寸效应、表面效应、量子隧道效应等，其磁、光、电、力、化学以及热性质与块体材料发生明显的改变。尤其是具有一维纳米结构的纳米线、纳米带、纳米片和纳米管等纳米材料，因独特的结构和一系列优异的特性，使它们在微电机系统、太阳能转换、储氢、气体传感、催化剂、信息存储与显示以及场发射等领域具有广泛而重要的应用。

过渡金属氧化物种类繁多，如CuO、ZnO、Fe₂O₃、Co₃O₄、Ga₂O₃等，具有半导体能带的性质，且其金属组分多数可表现出变价的特性，可形成多样的结构，所形成的半导体金属氧化物在众多领域表现出独特的性质。为此，基于一维氧化物纳米材料的“纳米电子器件”具有不可替代的优点：在应用环境中不易氧化、尺寸微小(纳米量级)、功耗小、反映灵敏等宏观器件完全不具有的独特优势。

目前已经发展了许多工艺制备金属氧化物纳米结构，包括有机辅助合成、碳热还原工艺、气-液-固(VLS)工艺和气-固(VS)工艺等。这些方法中，VLS和VS工艺比较适合制备单晶纳米结构和相对大的数量。例如Ga₂O₃和ZnO纳米线可以通过管式炉加热这些材料粉末合成；低熔点金属如Zn、Mg和Ge的氧化物纳米线可以通过在氧气气氛下加热金属粉末获得。常规的VS和VLS工艺要求精确控制制备条件，如要求高的温度(≥1000℃)来产生气态金属，还要控制生长气氛、流率和基板位置；对于VLS工艺，还要采用合适的催化剂，因而获得的纳米材料的性能可能受引入的催化剂的影响。虽然纳米结构氧化物材料的制备很大进展，但还存在一些问题：1)在大多数情况下，制备大范围的纳米材料仍有一定困难，如何利用简单的工艺制备在分米、厘米甚至毫米数量级尺度范围内均匀分布的纳米材料显然仍是一个挑战；2)材料的制备工艺通常也相对复杂，需要很好的制备和控制设备；3)制备工艺的稳定性还有待进一步改善。由于纳米材料的产生是非常复杂的物理的化学的、甚至生物的过程，其性质很大程度上取决于这些产生或制备过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能大量生产、快速生长、无需催化剂、适用的材料范围广、低的生长温度和低成本的合成工艺。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种一维金属氧化物纳米材料的制备方法，采用普通电热板在空气气氛下通过加热金属源使其与空气中的氧气反应并在金属源表面生成一维金属氧化物纳米材料阵列。具体工艺步骤如下：

(1)将过渡金属源置于电热板加热区；

(2)开启电热板升温至200～600℃，然后保温时间1～96h；

(3)关闭电源，随电热板冷却至室温，此时金属源表面的氧化物即为目的产物。

优选地，步骤(1)中所述过渡金属源为铁、钴、铜、锌或锰。

优选地，步骤(1)中所述过渡金属源的形状为箔片、块体、粉末或沉积的金属薄膜，面积大小任意。

优选地，步骤(2)中所述温度为400℃。

优选地，步骤(2)中所述时间为24h。

本发明工艺中一维金属氧化物纳米材料的生长过程如图1所示分两个步骤：i)表面多层不同氧化物的形成。在空气气氛中的氧气把金属表面表面先氧化生成疏松的金属氧化物混合物，随着时间延长逐渐形成表面为依次为高价态金属氧化物以及相应的低价态金属氧化物层；ii)一维金属纳米结构的生长。内层金属原子通过最外层的氧化层的体相晶格和晶粒的边界或缺陷扩散至外表面，当表面的金属氧化物达到过饱和状态时，此时金属原子与空气中的氧接触逐渐形核，随着长时间温度的作用下内层不断扩散至表面的金属原子与空气中氧原子反应，将最终在所需能量最低方向生长成金属氧化物纳米材料。

本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

(1)本发明制备的金属氧化物纳米材料结晶性能良好。

(2)本发明制备温度低，200℃即可获得。

(3)本发明适用于大面积制备，产率高。