1、精選優質文檔-傾情為你奉上納米結構的制備方法學生姓名：曹琰 學號：學 院：物電院 專業：物理學 指導教師：閆海龍 職稱：副教摘要：首先介紹什么是納米結構以及納米結構的分類，再主要說明納米結構的制備方法及研究現狀，最后敘述納米結構的應用和前景。關鍵詞：納米結構；制備方法；應用1引言著名的諾貝爾獎獲得者查德費曼早就提出了一個令人深思的問題：如何將信息儲存到一個微小的尺度?令人驚訝的是自然界早就解決了這個問題，在基因的某一點上，僅30個原子就隱藏了不可思議的遺傳信息，如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子，那將創造什么樣的奇跡。今天，納米結構的問世以及它所具有的奇特的物性正在對人們生活和社會的

2、發展產生重要的影響，費曼的預言已成為世紀之交科學家最感興趣的研究熱點。納米結構體系是當前納米材料領域派生出來的含有豐富的科學內涵一個重要的分支學科，由于該體系的奇特物理現象及與下一代量子結構器件的聯系，因而成為人們十分感興趣的研究熱點。20世紀90年代中期有關這方面的研究取得重要的進展，研究的勢頭將延續到21世紀的初期。2納米結構的概念及分類從基礎研究來說，納米結構的出現，把人們對納米材料出現的基本物理效應的認識不斷引向深入1。無序堆積而成的納米塊體材料，由于顆粒之間的界面結構的復雜性，很難把量子尺寸效應和表面效應對奇特理化效應的機理搞清楚，納米結構可以把納米材料的基本單元（納米微粒、納米絲、

3、納米棒等）分離開來，這就使研究單個納米結構單元的行為、特性成為可能。更重要的是人們可以通過各種手段對納米材料基本單元的表面進行控制，這就使我們有可能從實驗上進一步提示納米結構中納米基本單元之間的間距，進一步認識他們之間的耦合效應。因此，納米結構出現的新現象、新規律有利于人們進一步建立新原理，這為構筑納米材料體系的理論框架奠定基礎2。2.1納米結構的概念所謂納米結構是以納米尺度的物質單元為基礎，按一定規律構筑或營造一種新的體系，它包括一維、二維、三維體系3。這些物質單元包括納米微納米薄膜，納米陣列及介孔結構，其他還有很多不常見的納米結構，如納米籠、納米纖維、納米花、納米泡沫、納米網，納米針膜，納

4、米環、納米殼、納米線等，其形貌如圖1。圖1納米結構形貌2.2納米結構的分類關于納米結構組裝體系的劃分至今并沒有一個成熟的看法，根據納米結構體系構筑過程中的驅動力是靠外因，還是靠內因來劃分，大致可分為兩類：一是人工納米結構組裝體系；二是納米結構自組裝體系和分子自組裝體系。所謂人工納米結構組裝體系，按人類的意志，利用物理和化學的方法人為地將納米尺度的物質單元組裝、排列構成一維、二維、三維的納米結構體系，包括我們以前提到過的納米有序陣列體系和介孔復合體系等。納米結構的自組裝體系是指通過弱的和較小方向性的非共價鍵，如氫鍵、范德瓦爾斯鍵和弱的離子鍵協同作用把原子、離子或分子連接在一起構筑成一個納米結構或

5、納米結構的花樣4。自組織過程的關鍵不是大量原子、離子、分子之間弱作用力的簡單疊加，而是一種整體的，復雜的協同作用。納米結構的自組裝體系的形成有兩個重要的條件，一是有足夠數量的、非共價鍵或氫鍵存在，這是因為氫鍵和范德瓦爾斯等非共價鍵很弱，只有足夠量的弱鍵存在，才能通過協同作用構筑成穩定的納米結構體系；二是自組裝體系能量較低，否則很難形成穩定的自組裝體系5。分子自組裝指分子與分子在平衡條件下，依賴分子間非共價鍵力自發地結合成穩定的分子聚集體的過程。營造分子自組裝體系主要劃分為3個層次：第一，由中間分子體通過弱的氫鍵、范德瓦爾斯力及其他非共價鍵的協同作用，形成結構穩定的大的分子聚集體；第三，由一個或

6、幾個分子聚集體作為結構單元，多次重復自組織排成納米結構體系。3納米結構的制備方法納米粉體、納米纖維、納米薄膜、納米塊體、納米復合材料和納米結構等納米材料的制備方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工藝上有顯著的差異6。從目前的研究來看，納米結構的制備方法大體可分為：自組裝法、人工構筑法、模板法。3.1人工構筑法在人工構筑法里人的設計和參與制造起到決定性的作用，就好像人們用自己制造的部件裝配成非生命的實體(例如機器、飛機、汽車、人造衛星)等一樣，人們同樣可以形成具有各種對稱性的和周期性的固體，人們也可以利用物理和化學的辦法生長各種各樣的超晶格和量子線。以納米尺度的物質單元作一個基元按一定的

7、規律排列起來形成一維、二維、三維的陣列稱之為納米結構體系，由于它具有納米微粒的特征，如量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應等特點，又存在由納米結構組合引起的新的效應，如量子耦合效應和協同效應等。其次，這種納米結構體系很容易通過外場(電、磁、光)實現對其性能的控制，這就是納米超微型器件的設計基礎7。主要的人工構筑法有：光刻技術、束流刻蝕法、STM/AFM 加工法、納米壓印技術等。光刻技術是集成電路制造中利用光學化學反應原理和化學、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術。包括光復印和刻蝕兩個工藝8。在狹義上，光刻工藝僅指光復印工藝。束流刻蝕法是通過具有

8、一定能量的電子束、離子束與固體表面相互作用來改變固體表面物理、化學性質和幾何結構的精密加工技術，加工精度可達微米、亞微米甚至納米級。比較成熟的有電子束曝光、離子束摻雜和離子束刻蝕。 電子束曝光是用具有一定能量的電子束照射抗蝕劑，經顯影后在抗蝕劑中產生圖形的一種微細加工技術。對于正性抗蝕劑，在顯影后經電子束照射區域的抗蝕劑被溶解掉，而未經照射區域的抗蝕劑則保留下來；對負性抗蝕劑則情況相反。這樣就在抗蝕劑中形成了需要制作的圖形，電子束曝光有掃描和投影兩種工作方式。而離子束刻蝕是用具有一定能量的離子束轟擊帶有掩模圖形的固體表面，使不受掩蔽的固體表面被刻蝕，從而將掩模圖形轉移到固體表面的一種微細加工技

9、術。離子束刻蝕有兩種9。一種是利用惰性氣體離子(如氬離子)在固體表面產生的物理濺射作用來進行刻蝕，一般即稱為離子束刻蝕。另一種是反應離子束刻蝕，即利用反應離子(如氯或氟離子)和固體表面材料的化學反應和物理濺射雙重作用來進行刻蝕。離子束刻蝕的特點：1各向異性刻蝕，即只有垂直刻蝕，沒有橫向刻蝕。2良好的刻蝕選擇性，即對作為掩模的抗蝕劑和處于其下的另一層薄膜或材料的刻蝕速率都比被刻蝕薄膜的刻蝕速率小得多，以保證刻蝕過程中抗蝕劑掩蔽的有效性，不致發生因為過刻蝕而損壞薄膜下面的其他材料3加工批量大，控制容易，成本低，對環境污染少，適用于工業生產10。 STM/AFM除了能對物質表面進行高分辨形貌成像外，

10、還可以在材料表面進行原子、分子操縱、實現對材料表面的刻蝕、修飾和加工11。基于原子力顯微鏡的納米加工主要是利用原子力探針同樣品表面之間的各種物理，化學，機械作用力進行。主要方式有：機械刻蝕、場致蒸發、局域電化學氧化、針尖誘導局域氧化。AFM機械刻蝕是指利用AFM的針尖與樣品之間的相互作用力，在樣品表面刮擦、壓痕、提拉或推擠粒子產生納米尺度的結構。根據作用機制不同，有機械刮擦和原子操縱兩種方式。根據作用對象的不同，又可分為直接表面刻蝕和活性層刻蝕，后者包括有機抗蝕劑(PMMA)、LB膜、自組裝膜(SAM)等的刻蝕。 圖3原子力顯微鏡的工作原理圖納米壓印又叫納米壓印光刻技術，通過將具有納米圖案的模

11、版以機械力(高溫、高壓)壓在涂有高分子材料的硅基板上，等比例壓印復制納米圖案，進行加熱或紫外照射，實現圖形轉移。納米壓印技術主要包括熱壓印、紫外壓印、步進閃光壓印和微接觸印刷。熱壓印是用電子束刻印術或其他先進技術，把堅硬的壓模毛坯加工成一個壓模；然后在用來繪制納米圖案的基片上旋涂一層聚合物薄膜，通常是PDMS薄膜，將其放入壓印機加熱并且把壓模頭壓在基片上的聚合物薄膜上，再把溫度降低到聚合物凝固點附近并且把壓模與聚合物層相分離，就在基片上做出了凸起的聚合物圖案(還要稍作腐蝕除去凹處殘留的聚合物)；圖形轉移是對上一步做成的壓印件，用常規的圖形轉移技術，把基片上的聚合物圖案轉換成所需材質的圖案12。

12、 紫外壓印與熱壓印工藝類似，只是襯底的涂層固化方式不同。紫外壓印是利用透過壓模的紫外曝光促使壓印區域的聚合物發生聚合和固化成型13 。壓模主要是石英玻璃壓模(硬模)或PDMS壓模(軟模) 。紫外壓印的進一步發展是步進閃光壓印。工藝過程如下：先在硅基片上旋涂很薄的一層有機過渡層，再把室溫下流動性很好的聚合物感光有機硅溶液旋涂在基片有機過渡層上作為壓印層。在壓印機中把敷涂層的基片與上面的壓模對準，把壓模下壓使基片上感光溶液充滿壓模的凹圖案花紋，用紫外光照射使感光溶液凝固，然后退模。 微接觸印刷是將光刻方法與自組裝膜技術結合起來，先制備母模，即在硅片等材料上以紫外光或X射線輻照，誘發材料分子結構的化

13、學變化而產生現象，然后用刻蝕方法使潛象變成凹凸結構的精細圖案。 3.2分子自組裝方法 分子自組裝方法主要有以下幾種：LB膜技術是制備有機分子超薄膜的傳統方法。基本原理是將帶有親水頭基和疏水長鏈的兩親分子在亞相表面鋪展形成單分子膜(L膜)，然后將這種氣液界面上的單分子膜在恒定的壓力下轉移到基片上，形成LB膜。硫醇自組裝：膜硫醇自組裝膜主要包括三部分：分子頭基，烷基鏈和取代端基。具體而言，化學吸附在基底表面上的頭基在二維平面空間具有準晶格結構，為第一重有序；長鏈結構的自組裝分子在軸方向通過烷基鏈間的范德華力相互作用有序排列，為第二重有序；鑲嵌在烷基鏈內或其末端的特殊官能團排列有序，為第三重有序。膠

14、體自組裝：膠體具有自組裝的特性，而納米粒子團簇又很容易在溶劑中分散形成膠體溶液，因此，只要具備合適的條件就可以將納米團簇組裝起來形成有規則的排布14。膠體自組裝過程所需要的條件：(1)硬球排斥(2)統一的粒徑(3)粒子間的范德華力(4)體系逐漸的穩定。3.3模板法模板合成的原理實際上非常簡單。設想存在一個納米尺寸的籠子（納米尺寸的反應器），讓原子的成核和生長在該納米反應器中進行。在反應充分進行后，納米反應器的大小和形狀就決定了作為產物的納米材料的尺寸和形狀15。無數多個納米反應器的集合就是模板合成技術中的模板。模板大致可以分為兩類：軟模板和硬模板硬模板有多孔氧化鋁、介孔沸石、蛋白、MCM41、

15、納米管、多孔Si模板、金屬模板以及經過特殊處理的多孔高分子薄膜等。軟模板則常常是由表面活性劑分子聚集而成的膠團、反膠團、囊泡等。二者的共性是都能提供一個有限大小的反應空間，區別在于前者提供的是靜態的孔道，物質只能從開口處進入孔道內部，而后者提供的則是處于動態平衡的空腔，物質可以透過腔壁擴散進出。模板合成法制備納米結構材料具有下列特點：可制備各種材料，例如金屬、合金、半導體、導電高分子、氧化物、碳及其他材料的納米結構；可以獲得其他手段，例如平板印刷術等難以得到的直徑極小的納米管和絲(3nm)，還可以改變模板柱形孔徑的大小來調節納米絲和管的直徑；模板孔徑大小一致，可合成分散性好的納米絲和納米管以及

16、它們的復合體系，例如p-n結，多層管和絲等單分散的納米結構材料；模板法不僅用來合成納米管狀或線狀結構材料，而且還用來合成形狀類似于毛刷結構的材料。制備工藝簡單，對環境和設備條件要求不高，環境污染少，成本低16。進入20世紀90年代，隨著自組裝納米結構體系研究的興起，這種帶有高度有序的納米級陣列孔道的納米材料受到人們的重視。人們將AAO作為模板來制備納米材料和納米陣列復合結構，并在磁記錄、電子學、光學器件以及傳感器等方面取得良好的研究成果17。4結論在未來的幾十年中，納米技術將逐步滲透到科學技術的各個領域18，并在很大程度上改變人們的生產和生活觀念。納米技術將影響的幾個領域：(1)海水脫鹽凈化技

17、術。由于人口的快速增長，預計到2025年，全球將有48個國家、32% 的人口面臨著缺水的困境。而解決缺水困難的根本出路就是海水脫鹽凈化技術，碳納米管的發現及納米技術的發展為這一技術提供了一種可能的發展方向19。(2)照明系統。在照明中用于制造發光二極管的半導體將逐漸在納米尺寸范圍內制作，在納米尺度上制作的發光二極管的效率現在已經可以與可見光譜上白熾光源相媲美, 由于其小巧精致、耐用性以及低發熱特性，將很快在展覽、汽車照明燈、普通照明以及指示器中獲得廣泛應用20。(3)醫學和生物領域。納米技術將使適用于制藥的化學物質的數量增加約1倍，可用尺寸為50到100nm的納米顆粒對腫瘤部位進行治療，因為更

18、大的粒子無法穿過腫瘤上的小孔，納米顆粒卻能輕松進入腫瘤內部，納米技術將使癌癥在僅有少量癌細胞出現的早期即被檢出。(4)微電子和計算機。納米結構的微處理器的效率將提高100萬倍21, 并實現兆比特的存儲器，研制量子計算機和光子計算機。(5)環境和能源。利用納米技術發展綠色能源和環境處理技術，減少污染和恢復被破壞的環境，制備孔徑1nm的納米孔材料作為催化劑的載體，用以消除水和空氣中的污染，成倍提高太陽能電池的能量轉換效率等。利用納米材料特殊的磁、光、電等性質，還可以開發出無以計數的新型材料，21世紀的納米材料必將在微電子、信息、能源、環保、通訊、航空航天、工農業生產以及人們的日常生活等領域中發揮出

19、巨大的作用，從而促進生產力的提高，推動社會的發展。參考文獻：1 張立德, 牟季美. 納米材料和納米結構 M . 北京: 科學出版社, 2001.2 王世敏, 許祖勛, 傅晶. 納米材料制備技術 M . 北京: 化學工業出版社, 2002.3 徐國財, 張立德. 納米復合材料 M . 北京: 化學工業出版社, 2002.4 Glgali, Girish, Ramesh, C, Lele Ashis h. Macrmomolecules,2001, 34( 4) : 852.5 Yan F, Bao X M, Wu X W. Applied Physics Letters, 1995, 67(23) : 3471.6 Mo C M, Li Y H, Liu Y S. Applied Physics Letters, 1998, 83(8) : 4389.7 黃鈞聲, 任山. 材料科學與工程. 2001, 19( 2) : 76.8 劉維平, 黃慶梅. 材料科學與工藝. 1998, 6( 1) : 100.9 Eckert J, Halzer J C, Krill C E. J Applied P