專利名稱：一種準一維金屬氧化物納米材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及準一維納米線材料的制備方法，特別提供了一種采用原子層沉積技術制備金屬氧化物納米線的方法。該方法制備出的金屬氧化物納米線，表現出一定的擇優取向生長特性，且可以很容易進行納米線高度與寬度的控制，從而為制備不同尺寸金屬納米線材料提供了一種可能。
背景技術：
材料的晶粒尺寸達到IOOnm以下時、或材料的某一維度達到了納米級，此種材料我們定義為納米材料。納米材料因其獨特的結構具有一系列與常規粗晶材料迥異的性能， 一直以來得到了廣泛的關注和研究。對納米材料科學進行深入的研究，首先需要制備出合適的納米材料。目前，世界范圍內有許多科學家正致力于納米材料的研究制備工作，并已經取得了許多突破性的研究成果。目前的實驗和研究中，獲得不同尺寸晶粒分布的方法通常有控制球磨時間；再結晶和二次再結晶；以及應力誘導晶粒長大等。在控制材料維度方面也同樣取得了許多顯著的研究成果，1985年英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學家理查德·斯莫利在賴斯大學制備出了第一種富勒烯，這種富勒烯是僅有零維的納米材料；1991年日本筑波 NEC實驗室的物理學家飯島澄男在高分辨電鏡下發現了一種僅有一維的管狀碳納米材料， 這就是碳納米管；2004年英國的曼徹斯特大學的科學家安德烈 海姆等通過“微機械剝離” 法制備出了僅有幾個原子層厚度的準二維材料，即石墨烯。宏觀的塊體材料的某一維度進入納米級別后，其性能會發生巨大的變化。準二維材料石墨烯是目前已知硬度最大的材料，而宏觀的碳材料石墨卻是一種具有潤滑效果的軟質材料。由此可見，維度的改變會使材料獲得某些非常獨特的性能，近年來對制備不同維度的納米材料的研究越來越多、越來越深入。

發明內容
本發明的目的在于提供一種新型金屬氧化物納米線的材料制備方法。該材料的特征是金屬氧化物納米線的長度可達到微米級別，而寬度和高度卻僅有納米級，是典型的一維納米線材料，并呈現非晶結構。該工藝下制備出的納米線具有一定的擇優取向生長特性， 可以很容易通過控制生長時間、沉積溫度對金屬氧化物納米線形態進行控制。同時，該方法操作簡單易行，成本較低，易于在工業上實現和推廣。本發明所采用的方法，主要原理是在原子層沉積生長過程中，采用高純氮氣將反應需要的前軀體三甲基鋁、雙氧水分批次吹入到反應腔中，飽和吸附在襯底表面的前軀體相互反應，生成氧化鋁。在特定的生長溫度、沉積時間下，實驗中所使用的高定向熱解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite，H0PG)襯底表面上就會生長出線狀結構 (Wire-like structure)的氧化鋁(Al2O3)。該方法具體包括下列步驟
1)采用普通透明膠帶對高定向熱解石墨進行微機械剝離后，將其放置在原子層沉積設備的生長腔內，準備進行納米線生長；2)將需要進行反應的原材料三甲基鋁、雙氧水裝入反應源中，反應溫度設定為 150°C，抽真空至SmTorr后啟動程序自動控制反應過程；采用高純N2作為反應輔助氣氛，保證在反應腔中不會發生反應物氧化的現象；3)納米線生長過程中，通過電阻絲加熱方式使反應腔的溫度穩定在預先設定的反應溫度，反應源三甲基鋁的反應和沖洗時間分別為4s、20s，雙氧水的反應和沖洗時間分別為0. 2s、45s，通過設定的程序使反應重復進行；4)氧化鋁納米線的高度及寬度，通過控制反應周次進行控制。該方法采用原子層沉積技術，將兩種反應物分批次通入到反應腔中，吸附在襯底表面的反應物發生化學反應生成金屬氧化物納米線。氧化鋁納米線之間相互平行，表現出一定的擇優取向的生長特性；同時，該方法操作簡單，成本較低，可以通過編寫程序進行控制，易于在工業上實現和推廣。


圖1為生長溫度150°C、沉積120周次的氧化鋁薄膜的表面形貌SEM圖。圖2為生長溫度150°C、沉積150周次的氧化鋁納米線的表面形貌SEM圖。圖3為為生長溫度50°C、沉積120周次的氧化鋁納米線的表面形貌SEM圖。圖4為氧化鋁納米線透射電鏡顯微結構示意圖。圖5為氧化鋁的衍射斑點圖。表1為氧化鋁納米線的組分含量。以下結合附圖和發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式本發明提供了一種利用原子層沉積技術，從而沉積制備出金屬氧化物納米線的一種方法。本實施例采用三甲基鋁及雙氧水作為生長源，高純氮氣做為反應輔助氣氛，制備出氧化鋁(Al2O3)納米線。氧化鋁(Al2O3)納米線的具體工藝過程1)用普通的透明膠帶將A等級的高定向熱解石墨的外表層剝離掉，迅速將剝離后的襯底放入原子層沉積設備的生長腔內，關閉腔室。2)將三甲基鋁及雙氧水裝入設備的反應源內，檢查氣路后，對設備生長腔進行抽
真空處理。3)將反應腔的溫度設定到反應溫度，并啟動開關進行加熱，溫控軟件最終將溫度穩定在150°C。4)反應腔的本底真空達到后8mTorr，將高純氮氣的氣瓶出口壓力設定在0. 3MPa 左右，并進行程序設定預熱時間20min ；三甲基鋁的吹入時間及沖洗時間分別為4s、 20s ；雙氧水的吹入時間及沖洗時間分別為:0. 2s,45s ；反應周次120或150等。5)啟動設定程序，進行氧化鋁(Al2O3)的沉積生長。附圖1為生長溫度150°C、沉積周次120周下的氧化鋁的表面形貌SEM圖。從圖上可以看出，此工藝下的氧化鋁是一種薄膜的形態，而且氧化鋁薄膜的連續性較差，有許多明顯的孔洞存在。從形貌圖上看不到明顯的晶界存在，推斷氧化鋁薄膜為非晶態。附圖2為生長溫度150°C、沉積周次150周下的氧化鋁的表面形貌SEM圖。從圖上可以看出此工藝下的氧化鋁是一種線狀的形態，納米線在長度方向達到微米級，而在寬度及高度方向上僅有納米級；納米線之間相互平行，呈現一定的擇優取向生長特性。可以發現，納米線是覆蓋在一層氧化鋁薄膜之上，說明在氧化鋁沉積過程中，氧化鋁的生長模式發生了轉變。為了進行對比，附圖3為生長溫度50°C、沉積周次120周下的氧化鋁的表面形貌 SEM圖。從圖上可以看出此工藝下的氧化鋁也同樣是一種線狀的形態。由圖2、圖3對比的結果可以得出這樣的結論通過改變生長溫度、沉積時間，可以對氧化鋁的形態進行控制。附圖4、附圖5分別為氧化鋁的高分辨顯微結構、衍射斑點圖，從衍射斑點為暈狀可知，制備的氧化鋁為非晶態。表 權利要求
1.一種準一維金屬氧化物納米材料的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟1)采用普通透明膠帶對高定向熱解石墨進行微機械剝離后，將其放置在原子層沉積設備的生長腔內，準備進行納米線生長；2)將需要進行反應的原材料三甲基鋁、雙氧水裝入反應源中，反應溫度設定為150°C， 抽真空至SmTorr后啟動程序自動控制反應過程；采用高純N2作為反應輔助氣氛，保證在反應腔中不會發生反應物氧化的現象；3)納米線生長過程中，通過電阻絲加熱方式使反應腔的溫度穩定在預先設定的反應溫度，反應源三甲基鋁的反應和沖洗時間分別為4s、20s，雙氧水的反應和沖洗時間分別為 0. 2s、45s，通過設定的程序使反應重復進行；4)氧化鋁納米線的高度及寬度，通過控制反應周次進行控制。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微機械剝離將膠帶粘著在高定向熱解石墨的表面上，均勻用力將熱解石墨最外層撕掉，暴露出其新鮮表面。
全文摘要
本發明公開了一種準一維金屬氧化物納米材料的制備方法，該種納米線材料是一種金屬氧化物的納米線，長度上可以達到數微米的級別，而在寬度及高度上僅有納米級，材料呈現非晶的結構狀態。該方法采用原子層沉積技術，將兩種反應物分批次通入到反應腔中，吸附在襯底表面的反應物發生化學反應生成金屬氧化物納米線。氧化鋁納米線之間相互平行，表現出一定的擇優取向的生長特性；同時，該方法操作簡單，成本較低，可以通過編寫程序進行控制，易于在工業上實現和推廣。
文檔編號C23C16/40GK102383105SQ201110354230
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者張成軍, 徐可為, 王飛, 黃平 申請人:西安交通大學