纳米材料制备技术
纳米材料制备技术
两大类制备策略
自上而下（Top-down）
从大块材料开始，利用机械能、化学能或其他形式能量将其分解制成所需的微观尺度结构单元。
- 物理过程：机械法、光刻蚀法、平板印刷法
- 化学过程：模板蚀刻选择性腐蚀、去合金化、各向异性溶解、热分解等
自下而上（Bottom-up）
根据自然物理原理或外部施加的驱动力，将原子或分子级的前驱体通过化学反应构筑成具有复杂构型的纳米结构。
1. 气相法
将原料物质变为气态，在气体状态下发生物理或化学反应，冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒。
特点：纯度高、组分易控、粒度均匀、颗粒团聚少、无需后续处理
1.1 蒸发法
在真空或惰性气体条件下，利用高温热源将原料加热蒸发，骤冷使之凝聚成纳米粒子。
特点：工艺简单、占地少、无污染、表面清洁、粒径分布窄
控制因素：压力、温度控制粒径大小和分布
1.2 溅射法
在阳极板和阴极蒸发材料间加直流电压，使惰性气体或活性气体电离，产生辉光放电等离子体，通过正离子和电子高速轰击靶材，使靶材原子或分子溅出。
类型：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射、中频溅射、脉冲溅射
1.3 原子层沉积法（ALD）
将物质以单原子层形式一层一层地沉积在基底表面的方法。前驱体气体与基体表面发生单层化学吸附后，反应停止，成膜厚度可控制在埃水平。
1.4 等离子体化学气相沉积法（PECVD）
在惰性气体或反应性气氛下，直流放电使气体电离产生高温等离子体，使原料熔化和蒸发。
特点：通过等离子体中的高能量电子提供CVD过程所需的激活能
1.5 热解化学气相沉积法（CVD）
利用化合物的加热分解，通过气态元素或化合物产生的化学反应形成纳米材料，在基体表面沉积。
2. 液相法
2.1 溶胶-凝胶法
将无机盐或金属醇盐经水解或解凝形成溶胶，溶质聚合凝胶化，凝胶再经干燥、焙烧去除有机成分得到无机材料。
特点：保持组分的均匀性和分散性，低温煅烧，粉末粒径通常几十纳米。
2.2 沉淀法
可溶性金属盐溶液发生水解或加入试剂发生化学反应，生成沉淀析出，经洗涤、干燥或煅烧制备纳米材料。
2.3 电沉积法
溶液中阴极附近的金属离子和电子相结合，被还原成金属原子而结晶沉积到阴极表面。
2.4 水热合成法
在密闭反应器（高压釜）中，水溶液作为反应体系，加热至临界温度（或接近临界温度）使难溶物质溶解，在高温高压下反应制备纳米材料。
2.5 溶剂热法
以水热法为基础，采用有机物或非水介质（如乙醇、甲苯、苯、乙二胺、CCl₄等）为溶剂。
2.6 超声法
利用超声波的空化作用制备纳米材料，空化核内产生高温高压并伴有强烈的冲击波和射流，打开化学键，引起相应化学反应。
2.7 喷雾热解法
将金属盐溶液喷入加热反应器，引起溶剂蒸发和燃烧，直接合成氧化物粉。把沉降、热解、烧结合为单个连续过程。
2.8 辐射合成法
利用微波、γ射线、超声波等对盐溶液辐射加热，发生物理化学反应制备纳米材料。
2.9 静电纺丝法
利用高压静电制备纳米纤维。技术核心：高压静电使带电荷的高聚物溶液或熔融体在高压电场中高速拉伸细化，经溶剂挥发或熔体冷却固化后形成纤维。
2.10 冷冻干燥法
以可溶性盐水溶液为原料，经喷雾、冷冻，在减压条件下加热使冰升华得到无水盐，再加热分解形成氧化物或复合氧化物粉体。
3. 固相法
3.1 机械球磨法
以粉碎与研磨相结合实现粉末纳米化。球磨介质间、粉末与球磨罐间发生剧烈碰撞、摩擦、挤压，将机械能传递给粉末，发生强烈塑性变形，经历反复破碎+焊合+破碎使晶粒细化。
特点：不伴随相变化
3.2 离子注入法
通过静电加速器将具有一定能量的离子嵌在与它固相不相溶的衬底上，超过某一注量时自发或经退火处理，使材料在基体近表面偏析出来形成纳米颗粒。
3.3 热分解法
原始反应物在一定温度下分解成固态化合物和气体，蒸发掉气体即可得到新固态材料。
4. 其他方法
4.1 超临界流体法
处于临界温度和临界压力以上的流体兼具液体和气体特性。利用改变压力调节过饱和度和过饱和速率，使溶质从超临界溶液中结晶或沉积出来。
4.2 分子自组装法
自发的从无序到有序的过程，主要依靠非共价键分子间作用力：范德华力、静电力、疏水作用力、氢键、π-π堆积作用。
4.3 溶剂蒸发引发的自组装
通过溶剂蒸发诱导分子自组装形成有序纳米结构。