八面體納米顆粒的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于納米材料技術領域，具體地說，涉及一種利于化學氣相沉積法制備尺寸均勻In2O3八面體納米顆粒的設計方法。
【背景技術】
[0002]對納米結構的尺寸、形貌、結晶度以及晶體趨向等結構特征的有效控制是納米制備科學當前亟需發展的一個重要方向。
[0003]尺寸的有效調控是實現納米器件集成和微型化加工的關鍵。在不同的制備方法中可以通過特定的方法實現尺寸的調控，如:I)溶液法，可以通過調整反應物先驅體的溶度、溶液的酸堿度和溫度對生長過程的晶核形成和晶體表面生長速度進行控制，得到尺寸均勻的納米結構，但該方法得到的納米結構由于生長溫度低，結晶性相對較差，在一定程度上影響其作為器件應用時性能的穩定性;2)分子束外延，可以精確實現原子級別的尺度控制，但是其成本昂貴，較難實現工業化應用；3)模板法，通過在刻蝕的模板上進行沉積，實現尺度的控制，但其刻蝕的精度取決于刻蝕的模板，而模板通常采用質地較軟的材料，其刻蝕的尺度和精度都有待提高。4)化學氣相沉積法，通過控制反應實驗條件可以調控納米結構的尺寸。另外還有諸如化學刻蝕、激光燒蝕、模板限域等方法。各種方法中，化學氣相沉積法由于其材料生長在高溫條件下進行，得到的納米結構結晶性較好，能夠很好地滿足納米器件工作時性能穩定的要求，因為具有廣闊的應用前景。
[0004]在化學氣相沉積法中，針對尺寸的控制目前發展比較成熟的有以下幾種方法:I)在催化生長中，通過控制催化劑顆粒的尺寸從而能夠很好地調控納米結構的尺寸，但是該種方法目前僅僅局限在一維納米結構直徑控制上，而對于其他維度結構的控制無法有效發揮作用;2)引入晶仔誘導生長，通過在襯底上旋涂一層生長材料的小晶體顆粒，誘導后續的結構生長，該方法尤其在ZnO納米棒陣列的生長中得到廣泛應用;3)通過控制反應物的蒸氣壓和生長時間，高的蒸氣壓和長的生長時間導致大尺寸結構的生長，相反低的蒸氣壓和短的生長時間導致小尺寸結構的生長。上述方法在一維納米結構生長中取得了巨大成功，能夠較好地實現尺寸和均勻性的控制。
[0005]—種常規的化學氣相沉積法制備In2O3八面體納米顆粒，是將含有O2氣的載氣通入到原料中，自加熱開始至制備結束通入O2氣量一直保持不變，且原料區和襯底區加熱溫度也沒有變化，如圖1所示為上述常規實驗方法中反應物蒸氣壓的變化曲線。從圖1可以看出，反應物的蒸氣壓在整個反應過程中都處于比較高的數值，因此整個生長過程中都會伴隨著已生成晶核的生長和新晶核不斷的形成。先期形成的晶核生長周期較長，生長結束后的晶粒尺寸較大;后期形成的晶核生長周期較短，生長結束后的晶粒尺寸較小。由于不同時刻都有晶核形成，所以它們的生長周期有長有短，生長結束后晶粒的尺寸分布較寬。因此到目前為止在化學氣相法中還沒有很好的方法能夠實現對納米顆粒尺寸均勻性的控制。
【發明內容】
[0006]為了實現尺度均勻In2O3八面體納米顆粒的制備，提出了一種基于反應過程飽和度控制，實現晶體生長中近一次性形核和晶核同步生長的控制，制備尺寸均勻可控的In2O3八面體納米顆粒，本發明涉及的制備方法對其它材料體系納米結構的尺寸及均勻性控制具有重要的指導意義。
[0007]—種尺寸均勾Ιη2θ3八面體納米顆粒的制備方法，步驟為:
1)在反應容器內設置可獨立控溫的兩個溫區，分別為原料區和襯底區，以高純度的In金屬顆粒作為原料，放置于原料區;在襯底區放入襯底；
2)反應前，向反應容器內通入載氣，將反應容器內的空氣排出；
3)對原料區和襯底區分別加熱，原料區的溫度為900-100(TC，保溫;襯底區的溫度為400-500 °C，保溫；
4)當原料區和襯底區溫度達到上述溫度后，調整為載氣與氧氣的混合氣體，保持至整個加熱過程結束；
5)步驟3)中保溫結束后，原料區降溫至700-800°C，保溫;襯底區升溫至500-700°C，保溫;保溫結束后自然冷卻至室溫，制備過程結束，得到本發明的In2O3八面體納米顆粒；
6)保溫結束后，將混合氣體調整為純載氣，并保持至反應設備自然冷卻到室溫后停止。
[0008]本發明采用陶瓷舟承載原料，為了去除陶瓷舟中的雜質污染，使用前將陶瓷舟經過1200-1500°C煅燒處理，所述陶瓷舟放置于原料區。
[0009]為了方便后期使用掃描電子顯微鏡對產物形貌進行表征，所述襯底采用Si片。
[0010]為了保證最終產物的純度，所述原料金屬In顆粒的純度299.99%，粒徑< 0.5mm。
[0011]進一步的，所述步驟2)中載氣為氮氣或惰性氣體，通入載氣流量為100-200sccm,時間為30-60min，所述載氣的純度2 99.999%。
[0012]在所述步驟3)中為了在相對較長的反應過程中，提供較短的生長周期，從時間尺度上近似認為是一次性形核，該步驟中原料區和襯底區的保溫時間為3-8min，襯底區的溫度與原料區的溫度在時間上保持同步。
[0013]進一步的，所述步驟4)中載氣與氧氣的體積比為40-50:1-3，所述載氣及氧氣的純度均 2 99.999%。
[0014]在所述步驟5)中為了提供相對較長的反應過程，該步驟中原料區降溫后保溫時間為50-90min，襯底區升溫后保溫時間為70-90min。
[0015]在所述步驟5)中為了使反應物的過飽和度減小，抑制新晶核的形成，使后續生長過程只是已生成晶核的生長，該步驟中原料區和襯底區需要較小的溫差，原料區降溫后和襯底區升溫后的溫差為100-300 °C。
[0016]進一步的，所述步驟5)中原料區降溫速率為40-60 °C/min，沉淀區升溫速率為40-6CTC/min0
[0017]與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是:本發明提出的尺寸均勻In2O3八面體納米顆粒的化學氣相沉積制備方法，解決了制備過程中不同時刻晶核形成導致生長時間不同從而造成尺寸分布不均的問題，通過對載氣氣氛、原料區加熱溫度、襯底區加熱溫度以及它們之間溫差和保溫時間的控制，實現了反應過程中的一次性形核和晶核同步生長，從而得到尺寸均勻的ImO3八面體納米顆粒;得到納米顆粒的結晶度高，物理化學性能穩定，能夠較好的滿足納米器件對性能穩定性的要求;制備過程操控簡便，只需要調節加熱溫度及其保溫時間和載氣氣氛即可完成。
【附圖說明】
[0018]
圖1.【背景技術】中常規方法的反應物蒸氣壓曲線；
圖2.本發明方法中反應物蒸氣壓曲線；
圖3.常規方法和本發明方法中In2O3八面體納米顆粒生長過程示意圖；
圖4.實施例1制備的In2O3八面體納米顆粒的X射線衍射圖譜；
圖5.實施例1制備的In2O3八面體納米顆粒的電子顯微鏡掃描圖；
圖6.實施例2制備的In2O3八面體納米顆粒的電子顯微鏡掃描圖；
圖7.實施例3制備的In2O3八面體納米顆粒的電子顯微鏡掃描圖；
圖8.對比例制備的In2O3八面體納米顆粒的電子顯微鏡掃描圖。
【具體實施方式】
[0019]
下面結合【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步詳細的說明。
[0020]尺寸均勻納米顆粒的制備可以利用尺寸效應來調控納米顆粒的物理化學性能，同時尺寸的有效控制也能滿足納米器件集成和微型化對尺寸的加工要求，而且化學氣相法在高溫下制備的高結晶納米結構作為納米器件使用時能夠滿足其工作性能穩定的要求。本發明針對目前化學氣相法制備納米顆粒尺寸分布不均的問題，基于晶體生長控制原理，設計實驗過程控制反應物飽和度變化，實現晶體生長中一次性形核和晶核同步生長的控制，實現了尺寸均勻可控的In2O3八面體納米顆粒的制備，步驟為:
1)在反應容器內設置可獨立控溫的兩個溫區，分別為原料區和襯底區，以