專利名稱：一種銅鋅合金納米線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，具體是一種銅鋅合金納米線及其氣相制備方法。
二背景技術(shù)：
由于納米科技的快速發(fā)展， 一維合金納米結(jié)構(gòu)在實(shí)際中將具有越來越重要的應(yīng)用 前景，這歸因于一維納米合金材料與常規(guī)尺寸合金材料的理化性質(zhì)存在著較大的差異。 銅鋅(CuZn)合金是一種重要的二元合金材料，其早期主要是作為典型的二元包晶結(jié) 構(gòu)合金和形狀記憶合金進(jìn)行研究，近年來，銅鋅合金作為一種新型功能材料引起了很 大的關(guān)注，如作為碲鋅鎘半導(dǎo)體優(yōu)秀的電極材料、抗軍團(tuán)菌生長材料以及用作苯加氫 反應(yīng)的催化劑等。
一維銅鋅合金納米結(jié)構(gòu)的制備尚未見諸文獻(xiàn)和專利報(bào)道，而類似的二元合金如鎳 銅合金、鎳鐵合金、鎳鋅合金等主要是通過電化學(xué)法、軟化學(xué)法來制備。電化學(xué)法在 制備合金納米線方面存在的問題是需要先制備出多孔鋁陽極氧化膜模板，同時(shí)需要 專門的電化學(xué)沉積裝置，制備工藝復(fù)雜，要控制合金納米線的直徑，必須先制備出相 應(yīng)孔徑的多孔鋁陽極氧化膜模板，而要制備出任意孔徑的模板是十分困難的，難以進(jìn) 行大面積制備。軟化學(xué)法在制備合金納米線方面目前主要是溶劑熱法，主要應(yīng)用有機(jī) 金屬化合物作為原料，操作需要保護(hù)氣氛，成本較高，合金納米線產(chǎn)率低，形貌、尺 寸和直徑難以控制。電化學(xué)法和軟化學(xué)法在制備合金納米線方面還有共同的缺陷即 由于均在化學(xué)溶液中制備，合金納米線純度很低；同時(shí)由于制備溫度很低，沒有達(dá)到 合金的熔點(diǎn)，合金納米線的微觀組織無法控制，從而難以控制納米線的微觀性能。
三
發(fā)明內(nèi)容
為克服合金納米線制備技術(shù)中存在的工藝復(fù)雜和難以控制微觀性能的不足，本發(fā) 明提出了一種銅鋅合金納米線及其制備方法。
本發(fā)明提出的銅鋅合金納米線組成特征是銅/鋅的原子比為l: (0.8 1.2)。銅鋅
合金納米線的幾何特征是直徑30nm 2^m，長度1 20/mi。
本發(fā)明還提出了一種制備銅鋅合金納米線的氣相方法，其具體包括如下步驟
1.制備納米級(jí)銅粉催化劑
取50 150ml濃度為0. 1 1. Omol丄—'的CuS04水溶液，往其中逐漸滴入85%(V/V)的水合肼溶液，不斷攪拌，待反應(yīng)結(jié)束后在反應(yīng)容器底部獲得一層淺紅色粉體，將其
用無水乙醇超聲清洗3次，每次5分鐘，然后于50。C、 0. 1Pa真空度下干燥60分鐘， 即獲得納米銅粉。
2. 準(zhǔn)備納米線生長襯底
生長銅鋅合金納米線的襯底材料選用Si單晶片，或者GaAs單晶片，或者石英玻 璃。生長前將襯底用分析純丙酮和無水乙醇分別超聲清洗10分鐘，再用氬氣吹干。然 后取O. l克納米銅粉加2毫升無水乙醇混合，均勻分散于襯底上，于5(TC、 0. 1Pa真 空度下烘干。
3. 銅鋅合金納米線的生長
將分散有納米銅粉的襯底放入管式爐中的生長區(qū)，在襯底前方2 10cm的源區(qū)放 置裝有1 5克鋅粉的石英舟，然后通入氬氣作為載氣，氣流方向從源區(qū)到生長區(qū)，通 載氣10 20分鐘后，開始以20 100。C.Min—'的速率升溫到550 750°C，保溫30 90 分鐘，使得源區(qū)鋅粉蒸發(fā)，鋅蒸氣由載氣輸運(yùn)到生長區(qū)襯底上方與襯底上銅納米粉反 應(yīng)，銅鋅合金納米線即進(jìn)行生長。
襯底和原料鋅粉在放入爐子的次序中，或者先將爐子升溫至合金納米線生長溫度， 然后將鋅粉和襯底同時(shí)推入管式爐相應(yīng)位置，待生長完成后，立即取出襯底，并在氬 氣保護(hù)下自然冷卻至室溫。
4. 降溫
待保溫時(shí)間結(jié)束后，以4(TOMin'的速率冷卻至室溫，或者待生長完成后，立即 取出襯底，并在氬氣保護(hù)下自然冷卻至室溫。取出襯底后，在襯底表面均勻分布一層 薄膜，即為一維銅鋅合金納米線。
本發(fā)明開發(fā)了一種制備二元銅鋅合金一維納米線的方法。其優(yōu)勢(shì)在于通過納米銅 粉的顆粒大小來控制銅鋅合金納米線的直徑大小。制備的銅鋅合金納米線純度高、產(chǎn) 率高、工藝簡(jiǎn)單。本發(fā)明提出制備二元銅鋅合金一維納米線的方法也可以應(yīng)用于其它 二元銅基合金納米線的制備，為一維合金納米結(jié)構(gòu)的研究開拓了新的思路。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一
本實(shí)施例為氣相生長組成銅/鋅原子比為1: (0.8 0.95)，直徑為30 60nm，長度1 5pm的銅鋅合金納米線。
依據(jù)下列步驟進(jìn)行
(1) 納米級(jí)銅粉催化劑的制備
取50ml濃度為O.lmol丄"的CuS04水溶液，往其中逐漸滴入85% (V/V)分析純的 水合肼至溶液藍(lán)色消失，不斷攪拌，水合肼溶液可稍微過量，待反應(yīng)結(jié)束后在反應(yīng)容 器底部獲得一層淺紅色粉體，將其用無水乙醇超聲清洗3次，，每次5分鐘，然后于 5CTC、 0. 1Pa真空度下干燥60分鐘，即獲得納米銅粉。
(2) 銅鋅合金納米線生長襯底的準(zhǔn)備 將單晶Si(100)襯底用分析純丙酮和無水乙醇分別超聲清洗IO分鐘，再用氮?dú)獯?br> 干。然后取0. 1克納米銅粉加2毫升無水乙醇混合，然后將其均勻涂于Si(100)襯底 上，于5(TC、 0. lPa真空度下烘干。
(3) 銅鋅合金納米線生長 將分散有納米銅粉的襯底放入管式爐中的生長區(qū)，在襯底前方5cm的源區(qū)放置裝
有5克鋅粉的石英舟，然后通入氬氣，氣流方向從源區(qū)到生長區(qū)，通氬氣20分鐘后， 以IO(TC *Min—'快速升溫到55(TC，保溫30分鐘，使得源區(qū)鋅粉蒸發(fā)，鋅蒸氣由氬氣 輸運(yùn)到生長區(qū)Si (lOO)襯底上方與襯底上Cu納米粉反應(yīng)，銅鋅合金納米線開始生長。
(4) 降溫
待保溫時(shí)間結(jié)束后，以40"C'Min—'的速率冷卻至室溫。取出Si(100)襯底，在襯底 表面均勻分布一層薄膜，即為一維銅鋅合金納米線。
實(shí)施例二
本實(shí)施例以GaAs (111)單晶片為襯底生長組成銅/鋅原子比為1: (0.95 1.2)， 直徑為9(K150nm，長度5~10[im的銅鋅合金納米線。
依據(jù)下列步驟進(jìn)行 (1)納米級(jí)銅粉催化劑的制備
取150ml濃度為0.5mol'L"的CuS04水溶液，往其中逐漸滴入85% (V/V)分析純 的水合肼至溶液藍(lán)色消失，不斷攪拌，水合肼溶液可稍微過量，待反應(yīng)結(jié)束后在反應(yīng) 容器底部獲得一層淺紅色粉體，將其用無水乙醇超聲清洗3次，，每次5分鐘，然后于 5(TC、 0. 1Pa真空度下干燥60分鐘，即獲得納米銅粉。
5(2) 銅鋅合金納米線生長襯底的準(zhǔn)備
將GaAs (111)襯底用分析純丙酮和無水乙醇分別超聲清洗10分鐘，再用氮?dú)獯?干。然后取O. l克納米銅粉加2毫升無水乙醇混合后，將其均勻置于GaAs(lll)襯底 上，于5(TC、 0. lPa真空度下烘干。
(3) 銅鋅合金納米線生長 將分散有納米銅粉的襯底放入管式爐中的生長區(qū)，在襯底前方2cm的源區(qū)放置裝
有3克鋅粉的石英舟，然后通入保護(hù)氣體氬氣，氣流方向從源區(qū)到生長區(qū)，通氬氣20 分鐘后，以60'OMin—'快速升溫到65(TC，保溫60分鐘，使得源區(qū)鋅粉蒸發(fā)，鋅蒸氣 由氬載氣輸運(yùn)到生長區(qū)GaAs(lll)襯底上方與襯底上銅納米粉反應(yīng)，銅鋅合金納米線 開始生長。
(4) 降溫
待保溫時(shí)間結(jié)束后，以40。C'Min—'的速率冷卻至室溫。取出GaAs (111)襯底，在 襯底表面均勻分布一層薄膜，即為一維銅鋅合金納米線。 實(shí)施例三
本實(shí)施例以石英玻璃片為襯底生長組成銅/鋅原子比為1: (0.8 0.92)，直徑為 U0 210nm，長度5~9|im的銅鋅合金納米線。
依據(jù)下列步驟進(jìn)行
(1) 納米級(jí)銅粉催化劑的制備
取100ml濃度為0. 5mol丄—'的CuS04水溶液，往其中逐漸滴入85% (V/V)分析純 的水合肼至溶液藍(lán)色消失，不斷攪拌，水合肼溶液可稍微過量，待反應(yīng)結(jié)束后在反應(yīng) 容器底部獲得一層淺紅色粉體，將其用無水乙醇超聲清洗3次，，每次5分鐘，然后于 50°C、 0. 1Pa真空度下干燥60分鐘，即獲得納米銅粉。
(2) 銅鋅合金納米線生長襯底的準(zhǔn)備 將石英玻璃襯底用分析純丙酮和無水乙醇分別超聲清洗10分鐘，再用氮?dú)獯蹈伞?br> 然后取O. l克納米銅粉加2毫升無水乙醇混合后，將其均勻置于石英玻璃襯底上，于 50°C、 0. lPa真空度下烘干。
(3) 銅鋅合金納米線生長
將分散有納米銅粉的襯底放入一個(gè)050mm的石英管中，在襯底前方3cm處放置裝有l(wèi)克鋅粉的石英舟，然后通入保護(hù)氣體氬氣，氣流方向從石英舟到襯底處通氬氣15
分鐘。先將爐子升溫至60(TC后，再將裝有鋅粉的石英舟和襯底的石英管推入管式爐 中，使得石英舟和襯底置于管式爐相應(yīng)源區(qū)和生長區(qū)，同時(shí)在氬氣保護(hù)下保溫30分鐘， 使得源區(qū)鋅粉蒸發(fā)，鋅蒸氣由氬載氣輸運(yùn)到生長區(qū)石英玻璃襯底上方與襯底上銅納米 粉反應(yīng)，銅鋅合金納米線開始生長。
(4)降溫
待保溫時(shí)間結(jié)束后，立即取出襯底，并在氬氣保護(hù)下自然冷卻至室溫。在襯底表 面均勻分布一層薄膜，即為一維銅鋅合金納米線。
實(shí)施例四
本實(shí)施例為氣相生長組成銅/鋅原子比為1: (0.89 1.1)，直徑為0.8 1.2ixm， 長度8~12 u m的銅鋅合金納米線。 依據(jù)下列步驟進(jìn)行
(1) 納米級(jí)銅粉催化劑的制備
取150ml濃度為0.6moll"的CuSO4水溶液，往其中逐漸滴入85% (V/V)分析 純的水合肼至溶液藍(lán)色消失，不斷攪拌，水合肼溶液可稍微過量，待反應(yīng)結(jié)束后在反 應(yīng)容器底部獲得一層淺紅色粉體，將其用無水乙醇超聲清洗3次，，每次5分鐘，然后 于5(TC、 0. 1Pa真空度下干燥60分鐘，即獲得納米銅粉。
(2) 銅鋅合金納米線生長襯底的準(zhǔn)備
將單晶Si(lll)襯底用分析純丙酮和無水乙醇分別超聲清洗10分鐘，再用氮?dú)獯?干。然后取O. l克納米銅粉加2毫升無水乙醇混合后，將其均勻置于Si(lll)襯底上， 于5(TC、 0. lPa真空度下烘干。
(3) 銅鋅合金納米線生長 將分散有納米銅粉的襯底放入管式爐中的生長區(qū)，在襯底前方10cm的源區(qū)放置裝
有5克鋅粉的石英舟，然后通入保護(hù)氣體氬氣，氣流方向從源區(qū)到生長區(qū)，通氬氣20 分鐘后，以10(TC'Min"快速升溫到70(TC，保溫60分鐘，使得源區(qū)鋅粉蒸發(fā)，鋅蒸 氣由氬載氣輸運(yùn)到生長區(qū)Si (111)襯底上方與襯底上銅納米粉反應(yīng)，銅鋅合金納米 線開始生長。
(4) 降溫
7待保溫時(shí)間結(jié)束后，以40°OMin"的速率冷卻至室溫。取出Si(lll)襯底，在襯 底表面均勻分布一層薄膜，即為一維銅鋅合金納米線。
實(shí)施例五
本實(shí)施例為氣相生長組成銅/鋅原子比為1: (0.84 0.90)，直徑為1.5 2pm，長度 15~20pm的銅鋅合金納米線。 依據(jù)下列步驟進(jìn)行-
(1) 納米級(jí)銅粉催化劑的制備
取80ml濃度為1.0mol'L—'的CuSO4水溶液，往其中逐漸滴入85% (V/V)分析純 的水合肼至溶液藍(lán)色消失，不斷攪拌，水合肼溶液可稍微過量，待反應(yīng)結(jié)束后在反應(yīng) 容器底部獲得一層淺紅色粉體，將其用無水乙醇超聲清洗3次，，每次5分鐘，然后于 5(TC、 0. 1Pa真空度下干燥60分鐘，即獲得納米銅粉。
(2) 銅鋅合金納米線生長襯底的準(zhǔn)備
將單晶Si (IOO)襯底用分析純丙酮和無水乙醇分別超聲清洗10分鐘，再用氮?dú)獯?干。然后取O. l克納米銅粉加2毫升無水乙醇混合后，然后將其均勻置于Si(100)襯 底上，于5(TC、 0. lPa真空度下烘干。
(3) 銅鋅合金納米線生長 將分散有納米銅粉的襯底放入管式爐中的生長區(qū)，在襯底前方3cm的源區(qū)放置裝
有4克鋅粉的石英舟，然后通入保護(hù)氣體氬氣，氣流方向從源區(qū)到生長區(qū)，通氬氣IO 分鐘后，以2(TOMin"快速升溫到75(TC，保溫90分鐘，使得源區(qū)鋅粉蒸發(fā)，鋅蒸氣 由氬載氣輸運(yùn)到生長區(qū)Si (100)襯底上方與襯底上銅納米粉反應(yīng)，銅鋅合金納米線 開始生長。 .
(4) 降溫
待保溫時(shí)間結(jié)束后，以4(TOMin"的速率冷卻至室溫。取出Si(100)襯底，在襯 底表面均勻分布一層薄膜，即為一維銅鋅合金納米線。
權(quán)利要求
1.一種銅鋅合金納米線，包括銅和鋅，其特征在于，銅/鋅的原子比為1∶(0.8～1.2)，銅鋅合金納米線的幾何特征是直徑30nm～2μm，長度1～20μm。
2. —種制備如權(quán)利要求1所述銅鋅合金納米線的方法，包括如下步驟a. 制備納米級(jí)銅粉催化劑，取50 150ml濃度為0. 1 1.0mol'L"的CuS04水溶液，往其中逐漸滴入85% (V/V)的水合肼溶液；將反應(yīng)獲得的粉體用無水乙醇用無水 乙醇超聲清洗3次，每次5分鐘，然后于5(TC、 0. 1Pa真空度下干燥60分鐘，獲得 納米銅粉；b. 準(zhǔn)備銅鋅合金納米線生長襯底，生長前將襯底用分析純丙酮和無水乙醇分別超聲 清洗10分鐘，再用氬氣吹干；取0. 1克納米銅粉加2毫升無水乙醇混合，均勻分散 于襯底上，于50。C、 0. 1Pa真空度下烘干；c. 銅鋅合金納米線的生長，將分散有納米銅粉的襯底放入管式爐中的生長區(qū)，在襯 底前方2 10cm的源區(qū)放置裝有l(wèi) 5克鋅粉的石英舟；通入10 20分鐘后，開始 以SO-lOCTOMin-1的速率升溫到550 750°C，保溫30 90分鐘；d. 降溫，待保溫時(shí)間結(jié)束后，以4(TOMin—1以上的速率冷卻至室溫；或者待生長完 成后，立即取出襯底，并在氬氣保護(hù)下自然冷卻至室溫。
3. 如權(quán)利要求2所述制備如權(quán)利要求1所述銅鋅合金納米線的方法，其特征在于原料 使用鋅粉和納米級(jí)銅粉。
4. 如權(quán)利要求2所述制備如權(quán)利要求1所述銅鋅合金納米線的方法，其特征在于襯底 材料選用Si單晶片，或者GaAs單晶片，或者石英玻璃。
5. 如權(quán)利要求2所述制備如權(quán)利要求1所述銅鋅合金納米線的方法，其特征在于銅鋅 合金納米線的生長時(shí)通入氬氣作為載氣，氣流方向從源區(qū)到生長區(qū)。
6. 如權(quán)利要求2所述制備如權(quán)利要求1所述銅鋅合金納米線的方法，其特征在于將襯 底和原料鋅粉在放入爐子時(shí)，或者先將爐子升溫至合金納米線生長溫度，然后將鋅 粉和襯底同時(shí)推入管式爐相應(yīng)位置，待生長完成后，立即取出襯底，并在氬氣保護(hù) 下自然冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明是一種銅鋅合金納米線及其制備方法，銅鋅合金納米線的成分為銅/鋅原子比為1∶(0.8～1.2)，幾何特征是直徑30nm～2μm，長度1～20μm。制備方法以納米銅粉為催化劑，以鋅粉為原料；銅鋅納米線的生長是用氬氣將原料區(qū)鋅粉產(chǎn)生的鋅蒸氣輸運(yùn)至分散有納米銅粉的襯底上方，鋅蒸氣與納米銅粉反應(yīng)促進(jìn)納米線生長；待生長完成后，冷卻至室溫，取出襯底，在襯底表面即可獲得一維銅鋅合金納米線。本發(fā)明的特點(diǎn)在于可通過納米銅粉的顆粒大小來控制銅鋅合金納米線的直徑大小，所制備的銅鋅合金納米線純度高、產(chǎn)率高、工藝簡(jiǎn)單。本發(fā)明提出的制備方法也可應(yīng)用于其它二元銅基合金納米線的制備，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C30B29/52GK101665984SQ200810150768
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2008年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月1日
發(fā)明者介萬奇, 李煥勇 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)