[发明专利]微波加热快速规模化制备五边形截面银纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到应用于微机电系统的金属纳米线的制备方法，尤其是，利用微波加热快速规模化制备具有良好电学和力学性能的五边形截面银纳米线；银纳米线的长度和直径均能通过调节反应参数进行控制。该方法时间短、产率高、重复性好，且规模化制备的成本低。 

背景技术

具备优异的电学和力学性能是金属纳米线用于微机电系统中连接单元的关键。由于低维度及畴壁的限制，纳米线的性能与体材相差很大。铜、金、铝这类具有高导电性的金属，体材时非常软，但当其成为纳米尺度的一维材料时强度会显著提高。例如，直径34nm的金纳米线的力学强度是块体金的100倍。位错、孪晶和晶界等缺陷以及纳米线的截面几何形貌和直径，对材料的导电能力和强度起到决定性作用。研究发现，具有五边形截面形貌纳米线的力学强度高于正方形和圆形截面纳米线。 

面心立方结构金属的一维纳米材料形成过程中，五重孪晶通常会形成，从而形成正五边形形貌的横截面。银具有高导电能力和良好的热传导性能，作为下一代互连材料具有显著优势。特别是，银纳米线由于其优异的导电和导热性能和独特的光学特性而倍受关注。银纳米线在诸多领域应用，如用于导电黏胶剂和导电粘胶薄膜、可回收、可折叠的电子产品等。 

针对金属纳米线的尺寸效应和几何效应的实验研究，实现形貌单一的五边形截面银纳米线的制备及其尺寸的大范围精确调控非常重要；同样，实现规模化制备对纳米线的实际应用非常关键。五重孪晶银纳米线的制备方法已有很多报道，其中溶液法被广泛认为是大规模制备最合适的途径。微波加热辅助的溶液法在金属纳米材料具有明显的优越性，其反应速度快，装置简单，适合规模化制备。目前，微波加热法已被广泛用于不同相貌银纳米材料的制备。此外，湿化学反应体系，表面活性剂常用来诱发晶体各向异性生长从而制得纳米线，其中最受关注的是聚乙烯吡咯烷酮辅助多元醇的反应。本发明提出了在聚乙烯吡咯烷酮存在下，利用微波加热快速规模化制备具有良好电学和力学性能的五边形截面银纳米线；特别是，银纳米线的长度和直径均能通过调节反应参数进行控制。 

发明内容

本发明的目的：提出一种利用微波加热实现规模化快速制备尺寸可控的五边形截面银纳米线的方法。该方法无需任何模板，反应时间仅需要2～2.5分钟，比溶剂热法制备同样尺寸银纳米线的反应速度快570倍；制得的五边形截面银纳米线沿着特定的方向生长，长度在10～30μm之间；通过调整硫化钠浓度可将银纳米线横截面的外切圆直径控制在60～480纳米之间。表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮和微波辅助的作用确保产物是单一的纳米线，且其横截面形貌是正五边形。这一制备该方法时间短、产率高、重复性好，且规模化制备的成本低，特别适合产业化、规模化的生产需求。 

本发明的技术方案是：一种微波加热快速规模化制备五边形截面银纳米线的方法，其特征在于，将0.2～1.8mg水合硫化钠和0.5～1.0g的聚乙烯吡咯烷酮依次溶解于10mL 乙二醇中，剧烈搅拌得到混合溶液，得到硫化钠和聚乙烯吡咯烷酮的浓度分别为80-750μM和0.15-0.25M；然后向混合溶液中逐滴加入5～15mL浓度为25～60mM的硝酸银乙二醇溶液，溶液的颜色从无色变为酒红色；快速搅拌10分钟后，将盛有溶液的锥形烧瓶置于微波反应器中，采用功率280～500W，频率2.45GHz的微波加热，反应时间仅需要2～2.5分钟；反应30s～60s后，溶液开始沸腾；反应结束后，自然冷却，得到乳白色的悬浮液。采用离心分离的方法，反复清洗除去残留的乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮，最后在真空烘箱中烘干。 

作为最佳选择，硫化钠浓度为80-750μM，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.15-0.25M。 

为了使反应物之间充分反应，加入的硝酸银溶液需溶解在乙二醇中，并且采用逐滴添加的方式。 

作为最佳选择，微波加热功率为280～500W，反应时间2～2.5分钟。 

为了防止混合溶液的沸腾，在烧瓶顶部插入15～20cm长的玻璃管作为冷凝回流器。 

通过调整硫化钠浓度来实现银纳米线横截面的外切圆直径的大范围精确控制。 

反应结束后，采用离心-分散-离心的方法收集和清洗银纳米线，用去离子水和丙酮反复清洗去除去残留液，最后在真空烘箱40℃下烘干。