一维纳米材料的制备方法和性质应用

一维纳米材料的制备方法和性质应用纳米材料（nanomaterals）是指尺寸处于1-110nm之间的材料，或者更广泛的说至少有一个维度处于纳米尺寸范围的材料。一维纳米材料，指材料的空间尺寸在三维方向上有两维处于纳米尺度范围内，主要形貌包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带等。一维纳米材料具有广阔的潜在应用前景,如高密度存储记忆元件、超微型纳米阵列激光器、新型电子器件带等;制备出的一维纳米材料对基础研究和应用研究具有重要意义；一维纳米材料的制备方法以及其在能量转化、激光器和传感器等方面的应用研究情况。一维纳米材料的制备方法目前制备一维纳米材料包括纳米电缆的方法很多，比较有代表性的有：电弧放电法、化学气相沉积法、激光溅射法、模板法。（1）电弧放电法电弧放电法是制备纳米碳管最原始的方法,该方法也用于制备其它一维纳米材料。在一个充有一定压力的惰性气体反应室中,装有一大一小两根石墨棒,其中面积大的为阴极,小的为阳极,两极间距为1mm。EbbesenTW在直流电流为100A,电压18V,Ar气压66650Pa(500Torr)的条件下进行实验。在放电产物中获得了大量的纳米碳管。（2）化学气相沉积法化学气相沉积法通常是指反应物经过化学反应和凝结过程,生产特定产物的方法。Yang等将MgO与碳粉作为原材料,放入管式炉中部的石墨舟内,在高纯流动Ar气保护下将混合粉末加热到约1200℃,则生成的MgO蒸气被流动Ar气传输到远离混合粉末的纳米丝生长区,制备了定向排列的MgO纳米丝。Zhang等将经过8h热压的靶95%Si、5%Fe置于石英管内,石英管的一端通入Ar气作为载气,另一端以恒定速率抽气,整个系统在1200℃保温20h后,成功地制备了上百微米的Si纳米线。（3）激光溅射法(包括激光沉积法)激光溅射法也是制备一维纳米材料的重要方法。激光溅射法所用的设备包括激光源、聚光镜、目标靶、管式炉、冷却环、真空泵和气流阀等几个部分组成。激光溅射法最早也是用于制备纳米碳管,以后也用于制备其它一维纳米材料,如BN纳米管、Si等半导体纳米线。Yang等采用准分子脉冲激光蒸镀的方法,使用波长248nm的准分子脉冲激光束对Si粉含有杂Fe与Ni,Co粉的混合粉末靶进行轰击,获得了直径为15nm、长度从几十微米到上百微米的Si纳米线。（4）液相合成法液相合成法又称湿化学法，它包含了水热法、溶剂热法和微乳液法等通过溶液生长合成一维纳米材料的方法。液相合成法对于晶体的成核、生长及尺寸限制具有良好的控制能力;在液相反应中，反应液可以提供高浓度的反应前体，有利于具有较高稳定性的异相晶核析出。液相合成法还可以通过改变溶剂以及引入合适的表面活性剂等手段使产物多样化。Khusaimi等在硅基底片上以金颗粒做晶种，在水溶液中控制合成了氧化锌纳米棒，研究发现锌离子的浓度对晶体的尺寸变化及生长取向有着极大的影响。劝ang等利用微乳液法合成了长度为5脚、直径为100nm的NIFe20;纳米棒，结果表明产品磁性受颗粒尺寸的影响，随着晶体尺寸的增大材料磁性也随之增强。Lockinan等以锌箔在热氧化反应下得到的微晶为晶种，于80℃下反应4~6h在溶液中合成出长度达700Inn、直径约200nm、尖端不到30nln的纳米针。一维纳米材料的性质应用材料的物理性质是材料应用的基础,具有介电特性的一维纳米材料所表现出来的奇特的物理、化学特性为人们设计新产品及传统产品的改造提供了新的机遇。表面积和体积之比非常高，且具有极强的表面效应和量子效应，对气体的响应较为灵敏，响应温度较低。一维金属氧化物的结晶度高，晶体生长具有各向异性，具有多种晶体结构和形貌。材料的小型化、智能化、元件的高集成,高密度存储和超快传输等为一维纳米材料提供了广阔的应用空间。以下对一维纳米材料的具体应用予以介绍。（1）高效能量转化器件具有再生能力的电池广泛用于手机、小型家用电器、电动剃须刀以及微型仪器仪表上。随着集成块尺寸的减小,集成度越来越高,元件的尺寸将进一步地缩小。目前的电容器尺寸为毫米级,21世纪将进一步缩小到纳米尺度,所用的材料必然是纳米材料。这就要求电池不但具有高能量密度,同时电池的尺寸进一步微型化,这为纳米材料在电池领域的应用提供了机遇。1999年,复合纳米结构材料作为锂电池的工作电极在实验室研制成功,具体方法是利用氧化铝孔洞阵列的模板,采用化学镀在模板的针孔内形成Au的纳米管,然后除掉氧化铝,再在Au纳米管表面沉积TiS,最后得到锂电池的工作电极。这种工作电极的优点是储存和释放Li离子的效率高,而且导电性能好。（2）纳米线激光器Huang等利用ZnO的纳米线阵列成功制备了纳米激光器。他们采用高温气相的方法在蓝宝石衬底μ上生长出直径为20～150nm,长约10m的ZnO纳米线阵列。室温下,这些纳米线自然形成良好的激光器共振腔,纳米线与蓝宝石的分界面和纳米线自由端表面正好成为共振腔两端的反射面。此时采用另一激光器来激发纳米线迫使其中的激子相互碰撞发射出波长半峰宽只有17nm的激光。此项工作引起国际上的广泛关注,如能改用电流来激活此类纳米激光器,就可能开发出新型光电纳米器件。通过选择不同电学性能的纳米线材料可能制备覆盖从可见光区到近红外各个波段的发光二极管LED,而如果能够利用组装技术制备出交叉纳米线的网络结构,则可能制备高分辨率的LED阵列,这些工作最终可能制备出真正电致激发的纳米激光器,并用于鉴别化学物质、提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。