CN103585939A

CN103585939A - 一种激光辅助制备纳米颗粒的方法和设备

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Publication number: CN103585939A
Application number: CN201310611785.1A
Authority: CN
Inventors: 李学耕; 王东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-02-19

Abstract

本发明公开了一种激光辅助制备纳米颗粒的方法及相应设备，属于纳米材料制备领域。该方法将气态先驱物通入等离子体发生装置，经等离子体发生装置活化后进入反应腔；激光发生装置发出的激光束，经反应腔壁上的透镜汇聚后也进入到反应腔，在反应腔内加热活性气态先驱物，使之裂解，得到活性纳米颗粒，纳米颗粒通过收集器收集。本发明制备纳米颗粒的方法和设备，大大降低了生产成本，且设备简单，工艺稳定性好，制备的纳米颗粒纯度较高、稳定性好、形貌粒径均匀，产品质量可靠性高，同时可以得到较高的纳米颗粒产率。

Description

一种激光辅助制备纳米颗粒的方法和设备

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种激光辅助制备纳米颗粒的方法和设备。

背景技术

近年来，纳米颗粒的制备及其性能研究引起了人们的广泛关注(J.H.Chio，T.-H.Kim，J.Seo，Y.Kuk，et al.Appl.Phys.Lett.85(2004)3235)。纳米颗粒具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，表现出不同于传统材料的光、电、热、磁、力等性能(W.Lu，W.Wang，Y.Su，J.Li，L.Jiang，Nanotechnology16(2005)2582)，因此在化工、材料、电子、机械、环保和生物医学工程等诸多领域具有重要应用。

目前制备纳米颗粒的方法主要有溶胶-凝胶法、电化学、化学沉淀法、热解法、离子注入法、等离子体法、自组装、模板法等(R.Buckmaster,T.Hanada，Y.Kawazoe，et al.Nano Lett.5(2005)771)。溶胶-凝胶法可以得到大量的纳米粉体，成本也较低，但非常容易团聚，影响实际应用效果。化学沉淀法制备的纳米颗粒，其纯度、形貌及大小很难控制。模板法能够得到大面积的纳米颗粒阵列，但工艺相对烦琐，尤其去除模板较为困难。离子注入法、热解法、等离子体法、电化学等方法需要相对复杂的实验设备和工艺规程或较高的温度，提高了纳米颗粒的制备成本，同时由于各自的局限性，影响到纳米颗粒的实际应用。因此，必须研究一种简单可控的方法，得到纯度高、稳定性好、形貌大小分布可控的纳米颗粒，并降低制备成本，避免纳米颗粒的团聚。

发明内容

针对现有技术中纳米颗粒制备成本高、纯度较低、稳定性差、形貌大小不可控等问题，本发明提供一种激光辅助制备纳米颗粒的方法，该方法操作简单，成本低，且制备的纳米颗粒纯度较高、稳定性好、形貌粒径均匀，可以广泛应用于各种金属或非金属的纳米颗粒制备。本发明进一步提供一种用于激光辅助制备纳米颗粒的设备，该设备可以大大降低纳米颗粒的制备成本。

一种激光辅助制备纳米颗粒的方法，将气态先驱物通入等离子体发生装置，经等离子体发生装置活化后形成进入反应腔；激光发生装置发出的激光束，经反应腔壁上的透镜汇聚后也进入到反应腔；在反应腔内激光加热活性气态先驱物，使之裂解，产生纳米颗粒，纳米颗粒通过收集器收集。

其中，所述的气态先驱物为包含所需制备纳米颗粒的气态或液态有机化合物，该有机化合物沸点较低，激光加热可以裂解。一般来说，能用于CVD、MOCVD等的有机化合物，都可以作为本方法的前驱物。

其中，所述反应腔壁上的透镜为一平直狭长透镜窗口，将激光束汇聚成具有一定宽度的激光带，照射到腔室内部的反应区域，在反应区域内产生较高的温度，起到加热分解前驱物的目的。

其中，所述反应腔内激光加热温度通过调节激光功率来控制。

此外，在通入气态先驱物的同时，还通入保护气体和敏化气体。保护气体优选为H₂(超钝级别)，还可以是He、Ar或N₂等，或它们的混合气；保护气体将反应气体和敏化气体局限在反应腔的中心位置附近，防止其在反应器的其它部分角落积累；且能提高粒子成核的温度，防止粒子团聚。敏化气体优选为SF₆或SiF₄等，对于特定的激光功率可以极大地提高产生的温度。

本发明中，制备的纳米颗粒的直径在3-100nm范围。

一种激光辅助制备纳米颗粒的设备，包括：反应腔、激光发生和接收装置、等离子体发生装置、气体通入装置、颗粒收集装置；

其中，所述的反应腔为十字结构，所述激光发生装置发出的激光水平穿过反应腔，并由另一端的接收装置接收；所述的等离子体发生装置位于反应腔的下端；所述的颗粒收集装置位于反应腔的上端，与所述等离子体发生装置相对；所述气体通入装置与等离子体发生装置相连。

所述激光发生装置与反应腔连接部有透镜窗口，所述透镜窗口镶嵌狭长平直透镜。

所述激光发生装置例如但不限于CO₂激光器。

所述等离子体发生装置例如但不限于ICP、CCP等。

可选地，所述等离子体发生装置数量和排布方式可以根据需要设置和排列，以满足制备纳米颗粒的多种不同情况。

可选地，所述颗粒收集装置为滤膜、滤波片、金属箔等，也可以直接为镀膜基底。

作为优选，所述反应腔内部设有冷却装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于制备过程中真空度要求较低，大大降低了生产成本，且设备简单，工艺稳定性好，制备的纳米颗粒纯度较高、稳定性好、形貌粒径均匀，产品质量可靠性高，同时可以得到较高的纳米颗粒产率。

附图说明

图1为本发明第一种实施例中制备纳米颗粒的设备示意图。

图2为本发明透镜窗口汇聚激光的光路示意图。

图3为本发明第二种实施例中制备纳米颗粒的设备示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不限于此。

实施例1

以制备硅纳米颗粒为例，来说明本发明的纳米颗粒制备方法。硅纳米颗粒的制备以硅的有机前驱物为原料，如硅烷，例如但不限于：SiH₄、Si₂H₆、Si₃H₈等；氯硅烷，例如SiH₂Cl₂、SiHCl₃、SiCl₄、Si₂Cl₆等。

将硅的有机前驱气体通过气体通入装置进入到等离子体发生器中，由等离子体发生器活化后进入到反应腔，在反应腔中，由激光束发出的激光加热，有机硅发生裂解，产生硅纳米颗粒，经反应腔上方的收集装置收集。此外，通入保护气体H₂和敏化气体SF₆，H₂将反应气体和敏化气体局限在反应腔的中心位置附近，防止其在反应器的其它部分角落积累，同时提高粒子成核的温度，防止粒子团聚。敏化气体SF₆可以提高激光温度。制备的硅纳米颗粒直径约为3-100nm。

附图1为硅纳米颗粒制备设备的示意图。十字结构的反应腔100左侧为激光发生装置102，右侧为激光接收装置(图中未标出)，激光发生器102发出的激光通过透镜窗口103汇聚入射到腔室，在腔室中心的反应区域104进行反应；反应腔100的下方为等离子体发生装置105，反应腔室和等离子体发生装置都带有若干气态通入装置106；在腔室中心区域104反应后产生的纳米颗粒由反应腔上方的颗粒收集装置107收集。

透镜窗口镶嵌有平直透镜，如图2(a)(b)所示。图2(a)为透镜汇聚激光光路的前视图，激光器发射出的激光束201经透镜202汇聚后，在腔室内形成高度很小的光束203；图2(b)为透镜汇聚激光光路的俯视图，激光器发射出的激光束201经透镜202汇聚后，在腔室内形成的光束203宽度不变。结合前视图2(a)和俯视图2(b)可以看出透镜202的形状，透镜202在垂直方向为传统透镜形状，在水平方向为直镜。

本实施例中，硅烷等有机前驱物原料由气体通入口106进入等离子体发生器105的石英导管内，在导管内被Ar等离子体撞击活化，形成各向异性、带同种电荷的粒子，进入反应腔100；同时保护气体H₂、敏化气体SF₆分别经由旁边的气体通入口106进入反应腔。激光器选择为CO₂激光器，功率选择为60W。激光束经过窗口透镜103汇聚到中心反应区104，在中心反应区104处产生极高的温度。此温度可将有机前驱物分解，产生硅的纳米颗粒。纳米颗粒由反应腔上方的颗粒收集装置107收集。

本实施例中，制备的硅纳米颗粒直径约为3-100nm。

实施例2

以制备铜铟镓硒纳米颗粒为例，来进一步说明本发明。

铜铟镓硒纳米颗粒为多种元素组成的化合物，前驱物气体有有机铜、有机铟、有机镓及硒蒸气等。例如，含铜的有机前驱物包括但不限于：Cu(C₁₁H₁₉O₂)₂、Cu(CF₃COCHCOCF₃)₂、(C₅H₅)CuP(C₂H₅)₃、Cu(CF₃COCHCOCH₃)₂、Cu(CF₃COCHCOCF₃)P(CH₃)₃等；含铟的有机前驱物包括但不限于：三苯基铟(C₁₈H₁₅In)、三苯基吡啶铟(C₂₃H₂₀InN)、对甲苯基铟(C₂₁H₂₁In)等；含镓的有机前驱物包括但不限于：二甲基氟化镓(C₂H₆FGa)、三甲基镓(C₃H₉Ga)、三乙基镓(C₆H₁₅Ga)、三丙基镓(C₉H₂₁Ga)、三异丙基镓(C₉H₂₁Ga)等。

将铜、铟、镓的有机前驱气体及硒蒸气通过气体通入装置分别进入到等离子体发生器中，由等离子体发生器活化后进入到反应腔，在反应腔中，由激光束发出的激光加热，有机前驱气体发生裂解，产生铜、铟、镓的纳米颗粒，与活化后的硒纳米颗粒相互作用，形成铜铟镓硒纳米颗粒。铜铟镓硒纳米颗粒经反应腔上方的收集装置收集。此外，通入保护气体H₂和敏化气体SF₆，H₂将反应气体和敏化气体局限在反应腔的中心位置附近，防止其在反应器的其它部分角落积累，同时提高粒子成核的温度，防止粒子团聚。敏化气体SF₆可以提高激光温度。制备的铜铟镓硒纳米颗粒直径约为3-100nm。

附图3为铜铟镓硒纳米颗粒制备设备的示意图。十字结构的反应腔300左侧为激光发生装置302，右侧为激光接收装置(图中未标出)，激光发生器302发出的激光通过透镜窗口303汇聚入射到腔室，在腔室中心的反应区域304进行反应；反应腔300的下方为等离子体发生装置305，由于有多种前驱气体，等离子体发生器装置305也有若干个；反应腔室和等离子体发生装置都带有若干气态通入装置306；在腔室中心区域304反应后产生的纳米颗粒由反应腔上方的颗粒收集装置307收集。透镜窗口的形状及光路与图2相同。

本实施例中，有机铜、有机铟、有机镓前驱物原料和硒蒸气分别由气体通入口306进入等离子体发生器305的石英导管内，在导管内被Ar等离子体撞击活化，形成各向异性、带同种电荷的粒子，进入反应腔300；同时保护气体H₂、敏化气体SF₆分别经由旁边的气体通入口306进入反应腔。激光器选择为CO₂激光器，功率选择为80W，激光束经过窗口透镜303汇聚到中心反应区304，在中心反应区304处产生极高的温度。此温度可将有机前驱物分解，产生铜、铟、镓和硒的纳米颗粒。纳米颗粒相互作用形成铜铟镓硒颗粒，铜铟镓硒纳米颗粒由反应腔上方的颗粒收集装置307收集。

本实施例中，制备的铜铟镓硒纳米颗粒直径约为3-100nm。

以上所述仅为本发明的若干个实施例，并不用以限制本发明，对熟悉本领域的技术人员，可以根据需要对本发明的方法或设备做多种变化、替换和修饰。凡在本发明的精神范围和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，皆属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims

1.一种激光辅助制备纳米颗粒的方法，其特征在于，将气态先驱物通入等离子体发生装置，经等离子体发生装置活化后进入反应腔；激光发生装置发出的激光束，经反应腔壁上的透镜汇聚后也进入到反应腔；在反应腔内激光加热活性气态先驱物，使之裂解，产生纳米颗粒，纳米颗粒通过收集器收集。

2.如权利要求1所述的激光辅助制备纳米颗粒的方法，其特征在于，所述气态先驱物为包含所需制备纳米颗粒的有机化合物，该有机化合物沸点较低，激光加热可以裂解。

3.如权利要求2所述的激光辅助制备纳米颗粒的方法，其特征在于，所述反应腔内激光加热的温度通过调节激光功率来控制。

4.如权利要求2所述的激光辅助制备纳米颗粒的方法，其特征在于，还通入保护气体和敏化气体。

5.如权利要求2所述的激光辅助制备纳米颗粒的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的直径在3-100nm范围。

6.一种激光辅助制备纳米颗粒的设备，其特征在于，包括：反应腔、激光发生和接收装置、等离子体发生装置、气体通入装置、颗粒收集装置；

7.如权利要求6所述的激光辅助制备纳米颗粒的设备，其特征在于，所述激光发生装置与反应腔连接部有透镜窗口，所述透镜窗口镶嵌狭长平直透镜。

8.如权利要求6所述的激光辅助制备纳米颗粒的设备，其特征在于，所述颗粒收集装置为滤膜、滤波片、金属箔、镀膜基底。

9.如权利要求6所述的激光辅助制备纳米颗粒的设备，其特征在于，所述反应腔室设有冷却装置。