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納米材料的物理制備方法
麗水師范�？茖W(xué)校物理系 費(fèi)金喜 朱維婷 吳紅玉 2006/12/15
（接上頁(yè)）代初正式形成[4]，它現(xiàn)已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而其制備科學(xué)在當(dāng)前的納米材料研究中占據(jù)著極為關(guān)鍵的地位[5, 6]。人們一般將納米材料的制備方法劃分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。以下主要就納米材料的物理制備方法進(jìn)行概述。
3.1 惰性氣體冷凝法（IGC）制備納米粉體（固體）
這是目前用物理方法制備具體有清潔界面的納米粉體（固體）的主要方法之一。其主要過(guò)程是：在真空蒸發(fā)室內(nèi)充入低壓惰性氣體（He或Ar），將蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生原子霧，與惰性氣體原子碰撞而失去能量，凝聚形成納米尺寸的團(tuán)簇，并在液氮冷棒上聚集起來(lái)，將聚集的粉狀顆粒刮下，傳送至真空壓實(shí)裝置，在數(shù)百M(fèi)Pa至幾GPa壓力下制成直徑為幾毫米，厚度為10m～1mm的圓片。
納米合金可通過(guò)同時(shí)蒸發(fā)兩種或數(shù)種金屬物質(zhì)得到。納米氧化物的制備可在蒸發(fā)過(guò)程中或制得團(tuán)簇后于真空室內(nèi)通以純氧使之氧化得到。惰性氣體冷凝法制得的納米固體其界面成分因顆粒尺寸大小而異，一般約占整個(gè)體積50%左右，其原子排列與相應(yīng)的晶態(tài)和非晶態(tài)均有所不同，從接近于非晶態(tài)到晶態(tài)之間過(guò)渡。因此，其性質(zhì)與化學(xué)成分相同的晶態(tài)和非晶態(tài)有明顯的區(qū)別。
3.2 高能機(jī)械球磨法制備納米粉體
自從Shingu等人[7]1988年用這種方法制備出納米Al-Fe合金以來(lái)得到了極大關(guān)注。它是一個(gè)無(wú)外部熱能供給的、干的高能球磨過(guò)程，是一個(gè)由大晶粒變?yōu)樾【Я５倪^(guò)程。此法可合成單質(zhì)金屬納米材料，還可通過(guò)顆粒間的固相反應(yīng)直接合成各種化合物（尤其是高熔點(diǎn)納米材料）:大多數(shù)金屬碳化物、金屬間化合物、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體、金屬-氧化物復(fù)合材料、金屬-硫化物復(fù)合材料、氟化物、氮化物。
3.3 非晶晶化法制備納米晶體
這是目前較為常用的方法（尤其是用于制備薄膜材料與磁性材料）。中科院金屬所盧柯等人[8]于1990年首先提出利用此法制備大塊納米晶合金，即通過(guò)熱處理工藝使非晶條帶、絲或粉晶化成具有一定晶粒尺寸的納米晶材料。這種方法為直接生產(chǎn)大塊納米晶合金提供了新途徑。近年來(lái)Fe-Si-B體系的磁性材料多由非晶晶化法制備[9]。
摻入其它元素，對(duì)控制納米材料的結(jié)構(gòu)，具有重要影響。研究表明，制備鐵基納米晶合金Fe-Si-B時(shí)，加入Cu、Nb、W等元素，可以在不同的熱處理溫度得到不同的納米結(jié)構(gòu)。比如450℃時(shí)晶粒度為2nm，500～600℃時(shí)約為10nm，而當(dāng)溫度高于650℃時(shí)晶粒度大于60nm。
3.4 深度范性形變法制備納米晶體
這是由Ｉｓｌａｍｇａｌｉｅｖ等人[10]于1994年初發(fā)展起來(lái)的獨(dú)特的納米材料制備工藝：材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用下發(fā)生嚴(yán)重范性形變，從而將材料的晶粒細(xì)化到亞微米或納米量級(jí)。例如：Φ82ｍｍ的Ｇｅ在6ＧＰａ準(zhǔn)靜壓力作用后，材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為10～30ｎｍ的晶相與10%～15%的非晶相共存；再經(jīng)850℃熱處理后，納米結(jié)構(gòu)開(kāi)始形成，材料由粒徑100ｎｍ的等軸晶組成，而當(dāng)溫度升至900℃時(shí)，晶粒尺寸迅速增大至400ｎｍ。
3.5 物理氣相沉積方法制備納米薄膜
此法作為一種常規(guī)的薄膜制備手段被廣泛應(yīng)用于納米薄膜的制備與研究工作，包括蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射等。這一方法主要通過(guò)兩種途徑獲得納米薄膜：
（1）在非晶薄膜晶化的過(guò)程中控制納米結(jié)構(gòu)的形成，比如采用共濺射法制備Si/SiO2薄膜，在700～900℃氮?dú)鈿夥障驴焖俳禍孬@得Si顆粒；
（2）在薄膜的成核生長(zhǎng)過(guò)程中控制納米結(jié)構(gòu)的形成，其中薄膜沉積條件的控制和在濺射過(guò)程中，采用高濺射氣壓、低濺射功率顯得特別重要，這樣易于得到納米結(jié)構(gòu)的薄膜。
3.6 低能團(tuán)簇束沉積法（ＬＥＢＣＤ）制備
納米薄膜該技術(shù)也是新近出現(xiàn)的，由Paillard等人[11]于1994年初發(fā)展起來(lái)。首先將所要沉積的材料激發(fā)成原子狀態(tài)，以Ar、He氣作為載體使之形成團(tuán)簇，同時(shí)采用電子束使團(tuán)簇離化，然后利用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行分離，從而控制一定質(zhì)量、一定能量的團(tuán)簇束沉積而形成薄膜。此法可有效地控制沉積在襯底上的原子數(shù)目。
3.7 壓淬法制備納米晶體
這一技術(shù)是中科院金屬所姚斌等人[12]于1994年初實(shí)現(xiàn)的，他們用該技術(shù)制備出了塊狀Pd-Si-Cu和Cu-Ti等納米晶合金。壓淬法就是利用在結(jié)晶過(guò)程中由壓力控制晶體的成核速率、抑制晶體生長(zhǎng)過(guò)程，通過(guò)對(duì)熔融合金保壓急冷（壓力下淬火，簡(jiǎn)稱“壓淬”）來(lái)直接制備塊狀納米晶體，并通過(guò)調(diào)整壓力來(lái)控制晶粒的尺度。
目前，壓淬法主要用于制備納米晶合金。與其他納米晶制備方法相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)：直接制得納米晶，不需要先形成非晶或納米晶粒；能制得大（未完，下一頁(yè)）
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