專利名稱：一種反重力逆向合成硫化鎘納米線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米硫化鎘線合成的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種反重力逆向合成硫
化鎘納米線的方法。
背景技術(shù)：
—維納米材料是指在空間有兩維處于納米尺度的材料。在人們有目的。有意識地研究納米材料的初始階段，幾乎都把精力集中在納米微粒以及由其組成的三維納米固體上。然而隨著納米科技的發(fā)展，二十世紀(jì)80年代初發(fā)明的SEM、 AFM等微觀表征和操縱技術(shù)，如同人類在微觀世界的眼和手，對一維納米材料的研究起了巨大的推動(dòng)作用。也隨著各行各業(yè)對納米材料要求的提高，研究熱潮便逐步向一維納米材料(納米棒、線、管等)轉(zhuǎn)移。碳納米管的發(fā)現(xiàn)為低維納米結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用開辟了嶄新的方向。目前，一維納米材料是材料科學(xué)中最重要的研究前沿之一。這是因?yàn)槠洳粌H對于搞清材料的維度和粒子的大小對材料的物理和化學(xué)性質(zhì)的影響具有重要的意義，而且還在光學(xué)、磁學(xué)、微電子學(xué)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著研究的不斷深入，各種新穎的一維納米材料如非碳納米管、納米棒、納米絲和納米同軸電纜、納米帶等相繼被發(fā)現(xiàn)，引起了國際上的廣泛關(guān)注。近年來對各種不同類型材料的單根納米結(jié)構(gòu)物性的成功測量，以及組裝技術(shù)的不斷完善，推動(dòng)了一維納米材料器件的發(fā)展，并對其生長機(jī)制的探索和控制合成提出了更高的要求。
—維納米材料即包括人們熟知的碳納米管，還包括各種新穎的非碳納米管、金屬、半導(dǎo)體納米線、納米帶等。 一維納米材料的研究多集中在碳納米管上，碳納米管的性能，特別是呈現(xiàn)金屬性還是半導(dǎo)體性，與其直徑與螺旋度密切相關(guān)，很難實(shí)現(xiàn)選擇性的控制合成；而器件制備需要對材料的結(jié)構(gòu)、組成與物性進(jìn)行有效控制，但對碳納米管進(jìn)行有效控制摻雜至今還是一個(gè)很大的難題。近年來多種新穎一維納米材料的控制合成為這一體系的研究提供了新的可能，比如對一維半導(dǎo)體納米材料的摻雜就可以借用半導(dǎo)體工業(yè)的相應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 納米線、納米管的種類繁多，自然界中具有層狀排列形態(tài)的元素在特定條件下都
能形成管狀結(jié)構(gòu)，相當(dāng)多的元素在特定生長條件下會形成納米線。往往對于同一種元素，控
制其生長條件，產(chǎn)物則具有不同的特性和結(jié)構(gòu)。如何在深刻理解一維納米材料生長機(jī)制的
基礎(chǔ)上發(fā)展新的控制合成方法，選擇性的制備各種類型的具有特定功能的一維功能納米材
料，探索其形成機(jī)制與控制原理方法，研究其組成結(jié)構(gòu)與物性關(guān)系，是當(dāng)前納米科學(xué)技術(shù)研
究與發(fā)展的關(guān)鍵，也為一維納米材料的控制合成提供了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。 單根一維納米材料性能的測量早期主要是在未經(jīng)組裝情況下直接利用隨機(jī)沉淀
的方法進(jìn)行。 但是這種與隨機(jī)沉積結(jié)合的測量性能的方法，僅僅局限于單根納米材料性能的測量，而為了實(shí)現(xiàn)納米器件的制作，即要知道單根納米材料的性能，還要對其進(jìn)行相應(yīng)的組裝，并對組裝出的一維納米材料陣列原型器件的性能進(jìn)行表征。
基于一維納米材科的納米器件有如下三種
(1)納米線傳感器。因?yàn)橐痪S納米材料的電學(xué)輸運(yùn)性能隨其所處環(huán)境、吸附物質(zhì)的變化而變。通過對其電學(xué)輸運(yùn)性能的檢測、就可能對其所處的化學(xué)環(huán)境作出檢測。
2000年，戴宏杰等人觀察到單壁碳納米管的電阻在室溫下與N02或NH3接觸僅幾秒鐘后就有較大的變化，表現(xiàn)出比普通固態(tài)傳感器更快的反應(yīng)速度和更高的靈敏度。2001年，崔毅等人利用微流輔助模板組裝摻雜了硼的Si納米線制備了可望用于蛋白質(zhì)表達(dá)和醫(yī)療診斷的傳感器。通過適當(dāng)?shù)谋砻嫘揎?，可使這種納米線對不同物質(zhì)的存在表現(xiàn)出電導(dǎo)率的變化，從而對其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，對某些生物分子的檢測靈敏度可達(dá)到皮摩爾量級。
如果探索合成出各種不同類型的一維納米材料，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻婊瘜W(xué)修飾，這種基于一維納米材料電學(xué)輸運(yùn)性能變化的傳感器就可能成為對化學(xué)、生物領(lǐng)域的多種物質(zhì)進(jìn)行高靈敏、高選擇性檢測的新技術(shù)。 (2)納米線激光器。2001年、楊培東等人利用Zn0的納米線陣列成功制備了納米激光器。室溫下，這些納米線自然形成良好的激光器共振腔，納米線與藍(lán)寶石的分界面和納米線自由端表面正好成為共振腔兩端的反射面。此時(shí)采用另一激光器來激發(fā)納米線迫使其中的激子相互碰撞發(fā)射出波長半峰寬只有17nm的激光。此項(xiàng)工作引起國際上的廣泛關(guān)注，如能改用電流來激活此類納米激光器，就可能開發(fā)出新型光電納米器件。段鑲鋒等利用摻雜的InP納米線組裝成P-n結(jié)，在其端點(diǎn)加以電壓，觀察到了電致發(fā)光的現(xiàn)象，制備了納米線發(fā)光二極管(LED)。 通過選擇不同電學(xué)性能的納米線材料可能制備覆蓋從可見光區(qū)到近紅外各個(gè)波段的LED，而如果能夠利用組裝技術(shù)制備出交叉納米線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，則可能制備高分辨率的LED陣列，這些工作最終可能制備真正電致激發(fā)的納米激光器，并用于鑒別化學(xué)物質(zhì)、提高計(jì)算機(jī)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲量。 (3)邏輯門計(jì)算電路。單壁碳納米管與半導(dǎo)體納米線都曾被用于制備基本的納電子器件，如室溫場效應(yīng)管(FETs) 、 p-n結(jié)二極管和變極器等。 在這些工作的基礎(chǔ)上.Dekker與Lieber等人分別利用碳納米管與GaN納米線作為基元組裝制備了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字邏輯運(yùn)算的電路。以GaN納米線為例，采用微流輔助模板組裝的技術(shù)自下而上地制得p-n結(jié)與場效應(yīng)管。以此為基礎(chǔ)組合成"或"、"與"、"非"邏輯門，并且能進(jìn)一步相互連接形成計(jì)算電路。"或"、"與"、"非"邏輯門的可預(yù)測的組裝。使組成幾乎任何邏輯線路成為可能，這意味著一個(gè)實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。Tseng等人在相關(guān)評述中指出，這項(xiàng)工作及相關(guān)研究意味著我們"朝電子納米計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)邁出了激動(dòng)人心的步伐"。
—維納米材料的合成、組裝與物性測量以及器件制各雖然起步不久，但已取得了很多非常有意義的研究成果。目前已經(jīng)作了許多嘗試來制備一維結(jié)構(gòu)納米材料，但合成這類材料仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。特別對于半導(dǎo)體納米管材料來講，更是一個(gè)極待開發(fā)的領(lǐng)域。隨著維數(shù)的減小，半導(dǎo)體材料的電子能態(tài)發(fā)生變化，其光、電、聲、磁等方面性能與常規(guī)體材料相比有明顯不同。有理由相信，隨著對一維納米材料生成機(jī)制的深入理解，新穎一維納米材料的不斷發(fā)現(xiàn)，特別是可控合成方法的建立、完善，及其組裝、測量技術(shù)的不斷成熟，一維納米材料的各種奇異性質(zhì)和功能必將得到更充分的發(fā)揮和利用。對一維體系的深入研究，極可能成為實(shí)現(xiàn)納米器件集成、乃至制各真正的納電子計(jì)算機(jī)的突破。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種反重力逆向合成硫化鎘納米線的方法，解決了傳統(tǒng)液相方法中較為繁瑣的調(diào)控難題。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案
(1)聚四氟乙烯薄膜的預(yù)處理 聚四氟乙烯薄膜裁減成適當(dāng)大小的矩形薄膜，用去離子水反復(fù)加熱清洗至中性，烘干后備用。
(2)利用聚四氟乙烯薄膜反重力液相制備硫化鎘納米線 分別配制等濃度的Na2S和CdCl2水溶液，將Na2S溶液置于錐形瓶中，表面封聚四
氟乙烯薄膜，倒置于裝有CdCl2溶液的燒杯中反應(yīng)2-4小時(shí)。 本發(fā)明提出的反重力逆向制備硫化鎘納米線的方法，具體步驟如下 (1)聚四氟乙烯薄膜的預(yù)處理 裁減聚四氟乙烯薄膜，在60-8(TC下，用去離子水和無水乙醇反復(fù)清洗至中性；清洗后的薄膜置于真空干燥箱中減壓干燥，備用；
(2)硫化鈉和氯化鎘溶液的制備 配制濃度為0. lmol/L的Na2S水溶液，濃度為0. lmol/L的CdC12水溶液，Na2S與
cdci2的摩爾比為7 : io-9 : io ; (3)逆向生長過程 室溫下，將Na^溶液置于錐形瓶中，表面用干凈的橡皮筋扎上步驟(1)處理的聚四氟乙烯薄膜；將封膜的錐形瓶倒置于裝有CdCl2溶液的燒杯中，靜置2-4小時(shí)后，硫化鎘線即形成； (4)清洗及后處理 將步驟(3)合成的硫化鎘納米線經(jīng)過純水、無水乙醇交替清洗后，在乙醇中形成懸濁液儲存，并進(jìn)行系列分析表征。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了液相簡單工藝條件下納米硫化鎘線的反重力逆向生長，滿足一般實(shí)驗(yàn)室條件切不引入其他化學(xué)添加劑。工藝簡單，條件要求低，易于操作，產(chǎn)物
純度高。


圖1是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1中產(chǎn)物的透射電子顯微鏡圖。 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例1中產(chǎn)物的X射線衍射圖。 圖4和圖5分別是本發(fā)明的實(shí)施例1中薄膜的掃描電子顯微鏡圖。 圖6是本發(fā)明的實(shí)施例1的反應(yīng)機(jī)理示意圖。 圖中標(biāo)號1為錐形瓶，2為聚四氟乙烯薄膜，3為燒杯。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1 :一種反重力逆向合成硫化鎘納米線的裝置圖，如圖1所示，包括上部錐
5形瓶，底部燒杯和隔斷的聚四氟乙烯薄膜。 反重力逆向合成硫化鎘納米線的合成步驟如下 (1)聚四氟乙烯薄膜的預(yù)處理。 (1-1)聚四氟乙烯薄膜裁減成適當(dāng)大小的矩形，用去離子水和無水乙醇反復(fù)加熱清洗至中性。
(1-2)充分清洗的薄膜置于真空干燥箱中減壓干燥。
(2)硫化鈉和氯化鎘溶液的制備。
(2-1)配制0. lmol/L的Na2S水溶液100ml 。
(2-2)配置0. lmol/L的CdCl2水溶液80ml 。
CdCl2與Na2S的摩爾比為10比8時(shí)反應(yīng)最佳。[OO48] (3)逆向生長過程。 (3-1)室溫下將Na^溶液置于100ml錐形瓶中，表面用干凈的橡皮筋扎上充分清洗的聚四氟乙烯薄膜。 (3-2)將封膜的錐形瓶倒置于裝有CdCl2溶液的250ml的燒杯中。靜置2_4小時(shí)后，硫化鎘線即形成。優(yōu)選方法為反應(yīng)3小時(shí)。[OO51] (4)清洗及后處理。 (4-1)合成后的硫化鎘納米線經(jīng)過純水，無水乙醇的多次清洗后在乙醇中形成懸濁液儲存，并進(jìn)行一系列分析表征。 以上所提供較為適宜的反應(yīng)條件，溫度，壓力，時(shí)間數(shù)值范圍，并非完全制備必須遵循的參數(shù)。 圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。錐形瓶1內(nèi)Na2S溶液，燒杯2內(nèi)為CdCl2溶液，隔斷薄膜3為含有孔道的聚四氟乙烯薄膜。 圖2為產(chǎn)物CdS硫化鎘的透射電子顯微鏡圖，由圖可知產(chǎn)物均勻分散穩(wěn)定。
圖3為產(chǎn)物CdS硫化鎘的X射線衍射圖，經(jīng)過同JCPDF標(biāo)準(zhǔn)圖譜比對，峰位值與強(qiáng)度與卡上立方晶型CdS的數(shù)據(jù)相一致，證明產(chǎn)物屬于立方晶系，純度較高，無雜峰出現(xiàn)，但衍射峰明顯寬化。晶格常數(shù)a為5. 818 A。根據(jù)謝樂公式計(jì)算，產(chǎn)物的粒徑為2. 8nm，與TEM
觀察結(jié)果基本一致。 圖4為聚四氟乙烯薄膜的掃描電子顯微鏡圖，由圖可知薄膜表面有許多溝渠(channels)和孔洞分布于膜內(nèi)表面。這種溝渠(channels)和孔洞結(jié)構(gòu)對于利用聚四氟乙烯膜誘導(dǎo)、控制合成由納米微粒組裝成的硫化鎘線有重要的意義。 圖5為聚四氟乙烯薄膜溝渠和孔洞內(nèi)生成硫化鎘納米材料的掃描電子顯微鏡圖。由圖可知硫化鎘線在其表面生成，呈現(xiàn)線狀。 圖6是本發(fā)明的反應(yīng)機(jī)理示意圖。溶液中的Cd2+離子擴(kuò)散，進(jìn)入模板孔道中；Cd2+離子受到S2—離子的進(jìn)攻，生成CdS，多個(gè)CdS聚集形成晶核；晶核開始長大，納米粒子通常是靠邊生長的，由于膜孔徑很小，在膜內(nèi)孔道的作用下，同時(shí)CdS粒子也在毛細(xì)管力的作用下，沿模板壁向上生長，組裝成線。CdS粒子不斷脫離孔道，此時(shí)又有新的Cd2+離子和S2—離子進(jìn)入，重復(fù)上述過程，線就不斷變長，得到產(chǎn)物。
實(shí)施例2 : (1)聚四氟乙烯薄膜的預(yù)處理。
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(1-1)聚四氟乙烯薄膜裁減成適當(dāng)大小的矩形，用去離子水和無水乙醇反復(fù)加熱 清洗至中性。 (1-2)充分清洗的薄膜置于真空干燥箱中，70-80攝氏度減壓干燥。
(2)硫化鈉和氯化鎘溶液的制備。 (2-1)配制0. lmol/L的Na2S水溶液100ml 。 (2-2)配置0. lmol/L的CdCl2水溶液80ml 。 CdCl2與Na2S的摩爾比為10比8時(shí)反應(yīng)最佳。 (3)逆向生長過程。 (3-1)室溫下將Na^溶液置于100ml錐形瓶中，表面用干凈的橡皮筋扎上充分清 洗的聚四氟乙烯薄膜。 (3-2)將封膜的錐形瓶倒置于裝有熱(50攝氏度)的CdCl2溶液的250ml的燒杯 中。靜置25-40分鐘后，硫化鎘線即形成。優(yōu)選時(shí)間為30分鐘。
(4)清洗及后處理。 (4-1)合成后的硫化鎘納米線經(jīng)過純水，無水乙醇的多次清洗后在乙醇中形成懸 濁液儲存，并進(jìn)行一系列分析表征。
權(quán)利要求
一種反重力逆向制備硫化鎘納米線的方法，其特征在于具體步驟如下(1)聚四氟乙烯薄膜的預(yù)處理裁減聚四氟乙烯薄膜，在60-80℃下，用去離子水和無水乙醇反復(fù)清洗至中性；清洗后的薄膜置于真空干燥箱中減壓干燥，備用；(2)硫化鈉和氯化鎘溶液的制備配制濃度為0.1mol/L的Na2S水溶液，濃度為0.1mol/L的CdCl2水溶液，Na2S與CdCl2的摩爾比為7∶10-9∶10；(3)逆向生長過程室溫下，將Na2S溶液置于錐形瓶中，表面用干凈的橡皮筋扎上步驟(1)處理的聚四氟乙烯薄膜；將封膜的錐形瓶倒置于裝有CdCl2溶液的燒杯中，靜置2-4小時(shí)后，硫化鎘線即形成；(4)清洗及后處理將步驟(3)合成的硫化鎘納米線經(jīng)過純水、無水乙醇交替清洗后，在乙醇中形成懸濁液儲存，并進(jìn)行系列分析表征。
全文摘要
本發(fā)明屬于納米硫化鎘線合成的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種反重力逆向合成硫化鎘納米線的方法。具體步驟為聚四氟乙烯薄膜的預(yù)處理，硫化鈉和氯化鎘溶液的制備，經(jīng)過聚四氟乙烯薄膜孔道作用，逆向生長出納米硫化鎘線，清洗及后處理。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)施簡單，產(chǎn)物單一穩(wěn)定，反應(yīng)中不引入其他化學(xué)添加劑。
文檔編號C01G11/02GK101704546SQ20091019867
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者吳慶生, 壽一鳴 申請人:同濟(jì)大學(xué)