一種激光輔助制備納米顆粒的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光輔助制備納米顆粒的方法及相應(yīng)設(shè)備，屬于納米材料制備領(lǐng)域。該方法將氣態(tài)先驅(qū)物通入等離子體發(fā)生裝置，經(jīng)等離子體發(fā)生裝置活化后進(jìn)入反應(yīng)腔；激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光束，經(jīng)反應(yīng)腔壁上的透鏡匯聚后也進(jìn)入到反應(yīng)腔，在反應(yīng)腔內(nèi)加熱活性氣態(tài)先驅(qū)物，使之裂解，得到活性納米顆粒，納米顆粒通過收集器收集。本發(fā)明制備納米顆粒的方法和設(shè)備，大大降低了生產(chǎn)成本，且設(shè)備簡單，工藝穩(wěn)定性好，制備的納米顆粒純度較高、穩(wěn)定性好、形貌粒徑均勻，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性高，同時(shí)可以得到較高的納米顆粒產(chǎn)率。
【專利說明】一種激光輔助制備納米顆粒的方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種激光輔助制備納米顆粒的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，納米顆粒的制備及其性能研究引起了人們的廣泛關(guān)注(J.H.Chio, T.-H.Kim, J.Seo, Y.Kuk, et al.Appl.Phys.Lett.85 (2004) 3235)。納米顆粒具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn)，表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的光、電、熱、磁、力等性能(ff.Lu, ff.Wang, Y.Su, J.Li, L.Jiang, Nanotechno logy 16 (2005) 2582)，因此在化工、材料、電子、機(jī)械、環(huán)保和生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
[0003]目前制備納米顆粒的方法主要有溶膠-凝膠法、電化學(xué)、化學(xué)沉淀法、熱解法、離子注入法、等離子體法、自組裝、模板法等(R.Buckmaster, T.Hanada, Y.Kawazoe, etal.Nano Lett.5 (2005) 771)。溶膠-凝膠法可以得到大量的納米粉體，成本也較低，但非常容易團(tuán)聚，影響實(shí)際應(yīng)用效果?；瘜W(xué)沉淀法制備的納米顆粒，其純度、形貌及大小很難控制。模板法能夠得到大面積的納米顆粒陣列，但工藝相對(duì)煩瑣，尤其去除模板較為困難。離子注入法、熱解法、等離子體法、電化學(xué)等方法需要相對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工藝規(guī)程或較高的溫度，提高了納米顆粒的制備成本，同時(shí)由于各自的局限性，影響到納米顆粒的實(shí)際應(yīng)用。因此，必須研究一種簡單可控的方法，得到純度高、穩(wěn)定性好、形貌大小分布可控的納米顆粒，并降低制備成本，避免納米顆粒的團(tuán)聚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中納米顆粒制備成本高、純度較低、穩(wěn)定性差、形貌大小不可控等問題，本發(fā)明提供一種激光輔助制備納米顆粒的方法，該方法操作簡單，成本低，且制備的納米顆粒純度較高、穩(wěn)定性好、形貌粒徑均勻，可以廣泛應(yīng)用于各種金屬或非金屬的納米顆粒制備。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種用于激光輔助制備納米顆粒的設(shè)備，該設(shè)備可以大大降低納米顆粒的制備成本。
[0005]一種激光輔助制備納米顆粒的方法，將氣態(tài)先驅(qū)物通入等離子體發(fā)生裝置，經(jīng)等離子體發(fā)生裝置活化后形成進(jìn)入反應(yīng)腔；激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光束，經(jīng)反應(yīng)腔壁上的透鏡匯聚后也進(jìn)入到反應(yīng)腔；在反應(yīng)腔內(nèi)激光加熱活性氣態(tài)先驅(qū)物，使之裂解，產(chǎn)生納米顆粒，納米顆粒通過收集器收集。
[0006]其中，所述的氣態(tài)先驅(qū)物為包含所需制備納米顆粒的氣態(tài)或液態(tài)有機(jī)化合物，該有機(jī)化合物沸點(diǎn)較低，激光加熱可以裂解。一般來說，能用于CVD、MOCVD等的有機(jī)化合物，都可以作為本方法的前驅(qū)物。
[0007]其中，所述反應(yīng)腔壁上的透鏡為一平直狹長透鏡窗口，將激光束匯聚成具有一定寬度的激光帶，照射到腔室內(nèi)部的反應(yīng)區(qū)域，在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較高的溫度，起到加熱分解前驅(qū)物的目的。[0008]其中，所述反應(yīng)腔內(nèi)激光加熱溫度通過調(diào)節(jié)激光功率來控制。
[0009]此外，在通入氣態(tài)先驅(qū)物的同時(shí)，還通入保護(hù)氣體和敏化氣體。保護(hù)氣體優(yōu)選為H2 (超鈍級(jí)別)，還可以是He、Ar或N2等，或它們的混合氣；保護(hù)氣體將反應(yīng)氣體和敏化氣體局限在反應(yīng)腔的中心位置附近，防止其在反應(yīng)器的其它部分角落積累；且能提高粒子成核的溫度，防止粒子團(tuán)聚。敏化氣體優(yōu)選為，對(duì)于特定的激光功率可以極大地提高產(chǎn)生的溫度。
[0010]本發(fā)明中，制備的納米顆粒的直徑在3-100nm范圍。
[0011]一種激光輔助制備納米顆粒的設(shè)備，包括:反應(yīng)腔、激光發(fā)生和接收裝置、等離子體發(fā)生裝置、氣體通入裝置、顆粒收集裝置；
其中，所述的反應(yīng)腔為十字結(jié)構(gòu)，所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光水平穿過反應(yīng)腔，并由另一端的接收裝置接收；所述的等離子體發(fā)生裝置位于反應(yīng)腔的下端；所述的顆粒收集裝置位于反應(yīng)腔的上端，與所述等離子體發(fā)生裝置相對(duì)；所述氣體通入裝置與等離子體發(fā)生裝置相連。
[0012]所述激光發(fā)生裝置與反應(yīng)腔連接部有透鏡窗口，所述透鏡窗口鑲嵌狹長平直透鏡。
[0013]所述激光發(fā)生裝置例如但不限于CO2激光器。
[0014]所述等離子體發(fā)生裝置例如但不限于ICP、CCP等。
[0015]可選地，所述等離子體發(fā)生裝置數(shù)量和排布方式可以根據(jù)需要設(shè)置和排列，以滿足制備納米顆粒的多種不同情況。
[0016]可選地，所述顆粒收集裝置為濾膜、濾波片、金屬箔等，也可以直接為鍍膜基底。
[0017]作為優(yōu)選，所述反應(yīng)腔內(nèi)部設(shè)有冷卻裝置。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
由于制備過程中真空度要求較低，大大降低了生產(chǎn)成本，且設(shè)備簡單，工藝穩(wěn)定性好，制備的納米顆粒純度較高、穩(wěn)定性好、形貌粒徑均勻，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性高，同時(shí)可以得到較高的納米顆粒產(chǎn)率。
[0019]【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明第一種實(shí)施例中制備納米顆粒的設(shè)備示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明透鏡窗口匯聚激光的光路示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明第二種實(shí)施例中制備納米顆粒的設(shè)備示意圖。
[0023]【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此。
[0025]實(shí)施例1
以制備硅納米顆粒為例，來說明本發(fā)明的納米顆粒制備方法。硅納米顆粒的制備以硅的有機(jī)前驅(qū)物為原料，如硅烷，例如但不限于:SiH4、Si2H6, Si3H8等；氯硅烷，例如SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、Si2Cl6 等。[0026]將硅的有機(jī)前驅(qū)氣體通過氣體通入裝置進(jìn)入到等離子體發(fā)生器中，由等離子體發(fā)生器活化后進(jìn)入到反應(yīng)腔，在反應(yīng)腔中，由激光束發(fā)出的激光加熱，有機(jī)硅發(fā)生裂解，產(chǎn)生硅納米顆粒，經(jīng)反應(yīng)腔上方的收集裝置收集。此外，通入保護(hù)氣體H2和敏化氣體SF6, H2將反應(yīng)氣體和敏化氣體局限在反應(yīng)腔的中心位置附近，防止其在反應(yīng)器的其它部分角落積累，同時(shí)提高粒子成核的溫度，防止粒子團(tuán)聚。敏化氣體SF6可以提高激光溫度。制備的硅納米顆粒直徑約為3-1OOnm。
[0027]附圖1為硅納米顆粒制備設(shè)備的示意圖。十字結(jié)構(gòu)的反應(yīng)腔100左側(cè)為激光發(fā)生裝置102，右側(cè)為激光接收裝置(圖中未標(biāo)出)，激光發(fā)生器102發(fā)出的激光通過透鏡窗口103匯聚入射到腔室，在腔室中心的反應(yīng)區(qū)域104進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)腔100的下方為等離子體發(fā)生裝置105，反應(yīng)腔室和等離子體發(fā)生裝置都帶有若干氣態(tài)通入裝置106 ;在腔室中心區(qū)域104反應(yīng)后產(chǎn)生的納米顆粒由反應(yīng)腔上方的顆粒收集裝置107收集。
[0028]透鏡窗口鑲嵌有平直透鏡，如圖2(a) (b)所示。圖2(a)為透鏡匯聚激光光路的前視圖，激光器發(fā)射出的激光束201經(jīng)透鏡202匯聚后，在腔室內(nèi)形成高度很小的光束203 ；圖2(b)為透鏡匯聚激光光路的俯視圖，激光器發(fā)射出的激光束201經(jīng)透鏡202匯聚后，在腔室內(nèi)形成的光束203寬度不變。結(jié)合前視圖2(a)和俯視圖2(b)可以看出透鏡202的形狀，透鏡202在垂直方向?yàn)閭鹘y(tǒng)透鏡形狀，在水平方向?yàn)橹辩R。
[0029]本實(shí)施例中，硅烷等有機(jī)前驅(qū)物原料由氣體通入口 106進(jìn)入等離子體發(fā)生器105的石英導(dǎo)管內(nèi)，在導(dǎo)管內(nèi)被Ar等離子體撞擊活化，形成各向異性、帶同種電荷的粒子，進(jìn)入反應(yīng)腔100 ;同時(shí)保護(hù)氣體H2、敏化氣體SF6分別經(jīng)由旁邊的氣體通入口 106進(jìn)入反應(yīng)腔。激光器選擇為CO2激光器，功率選擇為60W。激光束經(jīng)過窗口透鏡103匯聚到中心反應(yīng)區(qū)104，在中心反應(yīng)區(qū)104處產(chǎn)生極高的溫度。此溫度可將有機(jī)前驅(qū)物分解，產(chǎn)生硅的納米顆粒。納米顆粒由反應(yīng)腔上方的顆粒收集裝置107收集。
[0030]本實(shí)施例中，制備的硅納米顆粒直徑約為3-100nm。
[0031]實(shí)施例2
以制備銅銦鎵硒納米顆粒為例，來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0032]銅銦鎵硒納米顆粒為多種元素組成的化合物，前驅(qū)物氣體有有機(jī)銅、有機(jī)銦、有機(jī)鎵及硒蒸氣等。例如，含銅的有機(jī)前驅(qū)物包括但不限于:Cu(C11H19O2)2、Cu(CF3C0CHC0CF3)2、(C5H5) CuP (C2H5) 3、Cu (CF3COCHCOCH3) 2、Cu (CF3COCHCOCF3) P (CH3) 3 等；含銦的有機(jī)前驅(qū)物包括但不限于:三苯基銦(C18H15In)、三苯基吡啶銦(C23H2tlInN)、對(duì)甲苯基銦(C21H21In)等；含鎵的有機(jī)前驅(qū)物包括但不限于:二甲基氟化鎵(C2H6FGa)、三甲基鎵(C3H9Ga)、三乙基鎵(C6H15Ga)、三丙基鎵(C9H21Ga)、三異丙基鎵(C9H21Ga)等。
[0033]將銅、銦、鎵的有機(jī)前驅(qū)氣體及硒蒸氣通過氣體通入裝置分別進(jìn)入到等離子體發(fā)生器中，由等離子體發(fā)生器活化后進(jìn)入到反應(yīng)腔，在反應(yīng)腔中，由激光束發(fā)出的激光加熱，有機(jī)前驅(qū)氣體發(fā)生裂解，產(chǎn)生銅、銦、鎵的納米顆粒，與活化后的硒納米顆粒相互作用，形成銅銦鎵硒納米顆粒。銅銦鎵硒納米顆粒經(jīng)反應(yīng)腔上方的收集裝置收集。此外，通入保護(hù)氣體H2和敏化氣體SF6, H2將反應(yīng)氣體和敏化氣體局限在反應(yīng)腔的中心位置附近，防止其在反應(yīng)器的其它部分角落積累，同時(shí)提高粒子成核的溫度，防止粒子團(tuán)聚。敏化氣體SF6可以提高激光溫度。制備的銅銦鎵硒納米顆粒直徑約為3-100nm。
[0034]附圖3為銅銦鎵硒納米顆粒制備設(shè)備的示意圖。十字結(jié)構(gòu)的反應(yīng)腔300左側(cè)為激光發(fā)生裝置302，右側(cè)為激光接收裝置(圖中未標(biāo)出)，激光發(fā)生器302發(fā)出的激光通過透鏡窗口 303匯聚入射到腔室，在腔室中心的反應(yīng)區(qū)域304進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)腔300的下方為等離子體發(fā)生裝置305，由于有多種前驅(qū)氣體，等離子體發(fā)生器裝置305也有若干個(gè)；反應(yīng)腔室和等離子體發(fā)生裝置都帶有若干氣態(tài)通入裝置306 ;在腔室中心區(qū)域304反應(yīng)后產(chǎn)生的納米顆粒由反應(yīng)腔上方的顆粒收集裝置307收集。透鏡窗口的形狀及光路與圖2相同。
[0035]本實(shí)施例中，有機(jī)銅、有機(jī)銦、有機(jī)鎵前驅(qū)物原料和硒蒸氣分別由氣體通入口 306進(jìn)入等離子體發(fā)生器305的石英導(dǎo)管內(nèi)，在導(dǎo)管內(nèi)被Ar等離子體撞擊活化，形成各向異性、帶同種電荷的粒子，進(jìn)入反應(yīng)腔300;同時(shí)保護(hù)氣體H2、敏化氣體SF6分別經(jīng)由旁邊的氣體通入口 306進(jìn)入反應(yīng)腔。激光器選擇為CO2激光器，功率選擇為80W，激光束經(jīng)過窗口透鏡303匯聚到中心反應(yīng)區(qū)304，在中心反應(yīng)區(qū)304處產(chǎn)生極高的溫度。此溫度可將有機(jī)前驅(qū)物分解，產(chǎn)生銅、銦、鎵和硒的納米顆粒。納米顆粒相互作用形成銅銦鎵硒顆粒，銅銦鎵硒納米顆粒由反應(yīng)腔上方的顆粒收集裝置307收集。
[0036]本實(shí)施例中，制備的銅銦鎵硒納米顆粒直徑約為3-100nm。
[0037]以上所述僅為本發(fā)明的若干個(gè)實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，對(duì)熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，可以根據(jù)需要對(duì)本發(fā)明的方法或設(shè)備做多種變化、替換和修飾。凡在本發(fā)明的精神范圍和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，皆屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種激光輔助制備納米顆粒的方法，其特征在于，將氣態(tài)先驅(qū)物通入等離子體發(fā)生裝置，經(jīng)等離子體發(fā)生裝置活化后進(jìn)入反應(yīng)腔；激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光束，經(jīng)反應(yīng)腔壁上的透鏡匯聚后也進(jìn)入到反應(yīng)腔；在反應(yīng)腔內(nèi)激光加熱活性氣態(tài)先驅(qū)物，使之裂解，產(chǎn)生納米顆粒，納米顆粒通過收集器收集。
2.如權(quán)利要求1所述的激光輔助制備納米顆粒的方法，其特征在于，所述氣態(tài)先驅(qū)物為包含所需制備納米顆粒的有機(jī)化合物，該有機(jī)化合物沸點(diǎn)較低，激光加熱可以裂解。
3.如權(quán)利要求2所述的激光輔助制備納米顆粒的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔內(nèi)激光加熱的溫度通過調(diào)節(jié)激光功率來控制。
4.如權(quán)利要求2所述的激光輔助制備納米顆粒的方法，其特征在于，還通入保護(hù)氣體和敏化氣體。
5.如權(quán)利要求2所述的激光輔助制備納米顆粒的方法，其特征在于，所述納米顆粒的直徑在3-1OOnm范圍。
6.一種激光輔助制備納米顆粒的設(shè)備，其特征在于，包括:反應(yīng)腔、激光發(fā)生和接收裝置、等離子體發(fā)生裝置、氣體通入裝置、顆粒收集裝置； 其中，所述的反應(yīng)腔為十字結(jié)構(gòu)，所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光水平穿過反應(yīng)腔，并由另一端的接收裝置接收；所述的等離子體發(fā)生裝置位于反應(yīng)腔的下端；所述的顆粒收集裝置位于反應(yīng)腔的上端，與所述等離子體發(fā)生裝置相對(duì)；所述氣體通入裝置與等離子體發(fā)生裝置相連。
7.如權(quán)利要求6所述的激光輔助制備納米顆粒的設(shè)備，其特征在于，所述激光發(fā)生裝置與反應(yīng)腔連接部有透鏡窗口，所述透鏡窗口鑲嵌狹長平直透鏡。
8.如權(quán)利要求6所述的激光輔助制備納米顆粒的設(shè)備，其特征在于，所述顆粒收集裝置為濾膜、濾波片、金屬箔、鍍膜基底。
9.如權(quán)利要求6所述的激光輔助制備納米顆粒的設(shè)備，其特征在于，所述反應(yīng)腔室設(shè)有冷卻裝置。
【文檔編號(hào)】B01J19/12GK103585939SQ201310611785
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】李學(xué)耕, 王東 申請(qǐng)人:李學(xué)耕, 王東