[发明专利]湿法化学制备纳米材料中的飞秒脉冲激光辅助成核装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

纳米科学技术(Nano Science and Technology,Nano ST)的出现标志着人类认识世界和改造世界的能力从宏观世界到了微观世界的水平。作为物理、化学、材料、生物医学和电磁学等众多领域的交叉学科，纳米科学技术被人们视为21世纪科技发展领域的一个重要支柱。纳米材料是指材料的尺寸可以用纳米(十亿分之一米)衡量，通常是指在三维空间中至少有一维处于1～100nm纳米或由纳米尺度的基本单元构成的材料。纳米材料的基本单元按其空间维度可分为三类：在空间上只有一个维度上尺寸为纳米尺度的二维纳米材料，如纳米薄膜和超晶格等；在空间二个维度上尺寸均为纳米尺度的材料为一维纳米材料，如由纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带等纳米纤维；在空间的三个维度上尺寸同时为纳米尺度的材料为零维纳米材料，例如纳米颗粒、原子团簇等结构。在纳米尺度下，材料的尺寸和结构通常会在很大的程度上影响材料的物理和化学性质，从而产生了小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、紫外上转换发光增强效应等特殊物理效应。这些新的效应和新型纳米材料为发展新的功能材料和器件提供了原理与物质上的基础。纳米材料的小尺寸以及由此带来的特殊效应为其实际应用开拓出了广阔的空间。例如，以半导体量子点、上转换纳米粒子为代表的零维纳米材料在发光显示、光伏电池、生物信息传感、荧光动力学治疗等领域都有着迷人的应用前景。

然而，作为一类新兴的特种材料，目前已有的绝大多数纳米材料还是科学研究的对象，主要诞生在科学研究实验室里，其制备方法多数还停留在实验室的传统工艺制作阶段。

在湿法化学制备中，纳米晶的成核具有很大的随机性，这种随机性会导致纳米材料尺寸和形貌难以控制，从而造成制备出的纳米材料尺寸和形貌很难均匀和一致，相同条件下会制作出尺寸和形貌有着明显差异的纳米材料，即制备出的产物可重复性不能得到保证。

例如，在用湿法化学制备NaYF₄纳米材料时，溶液中首先会形成立方相α-NaYF₄，当反应温度升高到300℃左右时，立方相α-NaYF₄会转变成六角相β-NaYF₄。但是，在化学制备的升温过长中，立方相α-NaYF₄可以在一个很宽的温度范围内成核。实验研究表明，在反应温度约为60℃时，溶液中就开始形成立方相α-NaYF₄晶核；并且，在温度由60℃升至300℃的过程中，这种成核反应一直在进行之中。随着反应温度的提高，早期形成的晶核会逐步长大，因此就会造成合成出来的纳米材料尺寸不均匀，形成比较宽的尺寸分布范围。另外，在纳米材料即将走入大规模实际应用的今天，开发可以稳定制备出尺寸和形貌均一的纳米材料量产技术将成为纳米技术发展的必然趋势。

发明内容

为了解决湿法化学在制备成核温度较宽的纳米材料过程中由于成核不可控而导致粒径尺寸分布不均匀的问题，本发明提出了一种利用飞秒激光辅助纳米材料成核的方法，本发明针对成核温度为25～300℃的纳米材料。

本发明采用的技术方案具体如下：

脉冲激光辅助成核装置，包括：飞秒脉冲激光器1、凹透镜3、凸透镜4和微型凸透镜阵列6；其中，微型凸透镜阵列6安装于反应容器壁上；飞秒脉冲激光器1发出的飞秒脉冲激光束2经凹透镜3扩束，再经凸透镜4整理成平行光束后，照射在微型凸透镜阵列6上，微型凸透镜阵列6上的微透镜将平行光束在反应容器内的溶液中聚焦成多个激光焦点，纳米材料在激光焦点上成核。

本发明中的辅助成核方法具体步骤如下：

1)在25～300℃范围内选择成核温度和晶核生长温度，晶核生长温度高于成核温度。

2)对反应容器内的溶液进行加热，在加热达到成核温度之前，以高于1000r/min的速度搅拌对反应容器内的溶液进行搅拌。

3)当温度达到成核温度时，打开脉冲激光辅助成核装置中的飞秒脉冲激光器1，使飞秒脉冲激光照射在反应容器内的溶液中。激光照射时间本领域技术人员可视反应液具体的化学成份和浓度，在1～30min内选择；激光的波长通常选择在500～2000nm之间，激光的平均功率为1～10W，脉冲宽度为100～500fs，重复频率最好选择在100MHz量级。

4)关闭飞秒脉冲激光器1，在5分钟以内加热升温至晶核生产温度，反应时间2～300min 之间。

5)降到室温，收集所制备的纳米材料。

本发明的有益效果：