一種Ag₂Ga納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Ag2Ga納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，按如下步驟：一、計(jì)算模型建立Ag微粒與Ga微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ag2Ga，用方程2Ag+Ga＝Ag2Ga表示，在整個(gè)計(jì)算模型中存在著三個(gè)密度場(chǎng)變量，定義Ag微粒為c1(x,y,z,t)，Ag2Ga納米針為c2(x,y,z,t)，Ga微粒為c3(x,y,z,t)，c1為Ag微粒的濃度占總的微粒濃度的百分比，c2為Ag2Ga微粒的濃度占總的微粒濃度的百分比，c3為Ga微粒的濃度占總的微粒濃度的百分比；該計(jì)算模型自由能主要由化學(xué)能和梯度能組成，用如下方程表示：<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><munder><mo>&Integral;</mo><mi>v</mi></munder><mo>{</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>c</mi><mi>h</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi></mrow></msub><mo>}</mo><mi>d</mi><mi>V</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>其中，F(xiàn)ch表示化學(xué)能量變化，F(xiàn)grad表示梯度能量變化；二、通過改變材料的表面能來(lái)探究納米針尖端形貌變化的作用規(guī)律，控制不同材料納米針尖端形貌變化。
【專利說(shuō)明】
-種AgzGa納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于納米材料研究技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及AgsGa納米針成型機(jī)理及尖端形貌 控制方法的研究。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米針作為一維的納米材料所具有的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等宏 觀納米材料所不具有的特有功能，W及纖維狀特有的長(zhǎng)徑比及柔性，使得納米針在光學(xué)、熱 學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)W及化學(xué)方面的性質(zhì)顯著提高。因此，納米針的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也越 來(lái)越受到關(guān)注，市場(chǎng)對(duì)納米針的需求也越多來(lái)越大。例如，納米針由于巨大的表面積、高的 表面活性、對(duì)周圍環(huán)境的敏感性使其在催化和傳感器方面前途光明。再如，納米針由于其較 大的長(zhǎng)徑比和其尖端形貌使得納米針能都利用其穿刺功能向細(xì)胞注射藥物，或者在生物細(xì) 胞內(nèi)安裝微傳感器。
[0003] 近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外報(bào)道了大量的納米針制備方法的研究。但是，運(yùn)些報(bào)道采用的都 是一些傳統(tǒng)的納米針制備方法，運(yùn)些方法存在加工成形難W控制、實(shí)驗(yàn)材料浪費(fèi)的缺點(diǎn)。此 夕h利用傳統(tǒng)的加工方法制備出的納米針長(zhǎng)徑比較小，納米針尖端形態(tài)難W控制。由于在不 同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)納米針的尖端形貌要求不同，從而開發(fā)品質(zhì)更優(yōu)，直徑更細(xì)長(zhǎng)徑比更高，尖 端形貌多樣性的納米針具有更大的產(chǎn)業(yè)價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于上述現(xiàn)狀，本發(fā)明公開一種AgsGa納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法。
[0005] 本發(fā)明AgsGa納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，建立納米針尖端形貌控 制的計(jì)算方程;通過探究AgsGa納米針尖端形貌變化規(guī)律，提出一種納米針尖端形貌變化研 究控制的新思路。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:一種AgsGa納米針成型機(jī)理及尖端形 貌控制研究方法，按如下步驟：
[0007] -、計(jì)算模型建立
[000引 Ag微粒與Ga微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成AgsGa,用方程2Ag+Ga=Ag2Ga表示，在整個(gè)計(jì)算 模型中存在著S個(gè)密度場(chǎng)變量，定義Ag微粒為ci(x，y，z，t)，Ag2Ga納米針為C2(x，y，z，t)， Ga微粒為C3(X，y，Z，t )，Cl為Ag微粒的濃度占總的微粒濃度的百分比，C2為AgsGa微粒的濃度 占總的微粒濃度的百分比，C3為Ga微粒的濃度占總的微粒濃度的百分比；
[0009] 該計(jì)算橫巧自由能豐要由化學(xué)能和梯度能組成，用如下方程表示：
[0010]
…
[OOW 其中，F(xiàn)eh表示化學(xué)能量變化，F(xiàn)gra康示梯度能量變化；
[0012]二、通過改變材料的表面能來(lái)探究納米針尖端形貌變化的作用規(guī)律，控制不同材 料納米針尖端形貌變化。
[0014]
[OOU]所述Ag2Ga納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，步驟一：C1、C2、C3的密度場(chǎng) 變量通過化hn-Hi 11 iaixl非線性擴(kuò)散方程決定，結(jié)合量守恒關(guān)系，得到如下控制方程：
[0015] (3)
[0016]
[0017] 其中，Vi是Cl的反應(yīng)速率，V2是C3的反應(yīng)速率，0是靈敏度系數(shù);目是關(guān)于Ag生成AgsGa 的速率的系數(shù)；:9是關(guān)于Ga生成AgsGa的速率的系數(shù);Jii、ji2、Ji3分別表示Ag、Ag2Ga、Ga的化學(xué) 勢(shì)，用如下方程式表示；
[001 引"I=旅7?'| (5)
[0019] = f:G7 (>: (6)
[0020] U、= cG i、 (7)6
[0021] 所述AgsGa納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，步驟二:表面能的改變會(huì)造 成梯度能的改變，根據(jù)自由能方程（1)和化學(xué)勢(shì)方程(5)、（6)、（7)可知，梯度能改變會(huì)改變 化學(xué)勢(shì)的大小，由控制方程(2)、（3)、（4)看出，化學(xué)勢(shì)大小會(huì)直接影響納米針的形成，因此， 對(duì)最后形成的納米針尖端形貌會(huì)有一定的影響作用;所W，通過探究不同的表面能對(duì)納米 針尖端形貌變化的作用規(guī)律，達(dá)到控制不同納米尖端形貌變化的目的；
[0022] 定義
[0023]
[0024] 上式中，Ch表示材料的表面能系數(shù)，h表示梯度能的系數(shù)，L。表示納米針特征長(zhǎng)度， fo表示材料常量。
[00巧]所述AgsGa納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，取S組不同的表面能系數(shù) 分別是ch = 1.0、ch = 0.95、ch = 1.05，將一定微粒濃度比的Ag和Ga在室溫下利用之間的化 學(xué)反應(yīng)來(lái)模擬不同材料表面能系數(shù)的納米針尖端形貌變化;經(jīng)過模擬時(shí)間t，對(duì)納米針一端 施加驅(qū)動(dòng)力并保持速度V勻速將納米針拔出；當(dāng)Ch = O.95,材料的表面能較低，梯度能降低， 微粒間的擴(kuò)散緩慢，反應(yīng)物的微粒吸附在生成的納米針上，此時(shí)，納米針尖端沒有脫離反應(yīng) 物；當(dāng)Ch=I.0,材料的表面能增加，自由能也增加，微粒之間正常擴(kuò)散，此時(shí)生成的納米針 尖端脫離反應(yīng)物，并且生成的尖端較細(xì)、較尖銳；當(dāng)Ch = I.05,材料表面能較大，自由能也較 大，因此，微粒擴(kuò)散速度過快，此時(shí)生成的納米針脫離材料，并且納米針的尖端較粗、較圓 滑。
[00%]本發(fā)明利用微觀粒子Ag與Ga之間的化學(xué)反應(yīng)，基于相場(chǎng)模型建立起一種納米針尖 端形貌控制研究的計(jì)算方程;利用仿真模型模擬，通過改變表面能的作用影響來(lái)掲示納米 針尖端形貌變化規(guī)律，去探求其它納米材料在加工過程中的尖端形態(tài)變化特性。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明AgsGa納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法具有W 下技術(shù)特點(diǎn)：
[00%] I.在探索Ag2Ga納米針尖端形態(tài)變化規(guī)律基礎(chǔ)上，提出其它納米材料形態(tài)變化規(guī) 律的新猜想。
[0029] 2.基于連續(xù)的相場(chǎng)模型，不需要顯示跟蹤界面的位置，大大降低了計(jì)算的復(fù)雜性。
[0030] 3.利用計(jì)算模型模擬，可W通過改變某一變量參數(shù)多次模擬，進(jìn)而得到的效果更 優(yōu)。
【附圖說(shuō)明】
[00川圖1為Ag和Ga形成Ag2&a納米針的示意圖。
[0032] 圖2為AgsGa納米針的成形及拔出過程的簡(jiǎn)單示意圖。
[0033] 圖3為不同材料表面能系數(shù)對(duì)納米針尖端形貌變化影響的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。運(yùn)些圖均為簡(jiǎn)化的示意圖，僅W示 意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此僅顯示對(duì)本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0035] 本實(shí)施例AgsGa納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，按如下步驟：
[0036] 計(jì)算模型建立
[0037] 由于Ag微粒與Ga微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成AgsGa,可用方程2Ag+Ga = Ag2Ga表示，因 此，在整個(gè)計(jì)算模型中存在著3個(gè)密度場(chǎng)變量，定義Ag微粒為Cl(X，y，Z，t)，AgsGa納米針為C2 (x，y，z，t)，Ga微粒為C3(x，y，z，t)，空氣相在此系統(tǒng)不予W考慮，Cl為Ag微粒的濃度占系統(tǒng) 總的微粒濃度的百分比，C2為AgsGa微粒的濃度占系統(tǒng)總的微粒濃度的百分比，C3為Ga微粒 的濃度占系統(tǒng)總的微粒濃度的百分比。
[0038] 該計(jì)算模型自由能主要由化學(xué)能和梯度能組成，可用如下方程表示：
[0039]
Cl)
[0040] 其中，V為系統(tǒng)成分相的體積、dV求積分;F?？凳镜氖窍到y(tǒng)的化學(xué)能量變化，F(xiàn)grad表 示的是系統(tǒng)的梯度能量變化。
[0041 ] Cl、C2、C3的密度場(chǎng)變量通過Cahn-化11 iard非線性擴(kuò)散方程決定，結(jié)合量守恒關(guān) 系，得到如下控制方程：
[0042]
[0043] [3)
[0044]
[0045] 其中，Vi是Cl的反應(yīng)速率，V2是C3的反應(yīng)速率，0是靈敏度系數(shù);9是關(guān)于Ag生成AgsGa 的速率的系數(shù)；島是關(guān)于Ga生成AgsGa的速率的系數(shù);化、分別表示的是Ag,AgsGa和Ga的 化學(xué)勢(shì)，可用如下方程式表示。
[0046] (5)
[0047] (6:)
[004引 （7)
[0049] 通過改變材料的表面能來(lái)探究納米針尖端形貌變化的作用規(guī)律，控制不同材料納 米針尖端形貌變化。
[0050] 系統(tǒng)表面能的改變會(huì)造成梯度能的改變，根據(jù)自由能方程（1)和化學(xué)勢(shì)方程(5)、 (6)、（7)可知，系統(tǒng)梯度能改變會(huì)改變化學(xué)勢(shì)的大小，由控制方程(2)、（3)、（4)看出，化學(xué) 勢(shì)大小會(huì)直接影響納米針的形成，因此，對(duì)最后形成的納米針尖端形貌會(huì)有一定的影響作 用。所W，通過探究不同的表面能(在運(yùn)里，將通過改變材料的表面能系數(shù)來(lái)改變表面能大 小)對(duì)納米針尖端形貌變化的作用規(guī)律，達(dá)到控制不同納米尖端形貌變化的目的。
[00引]特別地，定義
[0052] dr =h!
[0053] 運(yùn)里，Ch表示的是材料的表面能系數(shù)，h表示的是梯度能的系數(shù)，L。表示的是納米 針特征長(zhǎng)度，fo表示的是材料常量。
[0化4] 操作：取3組不同的表面能系數(shù)分別是Ch = 1.0、ch = 0.95、ch = 1.05。將一定微粒 濃度比的Ag和Ga在室溫下利用其之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)模擬不同材料表面能系數(shù)的納米針尖 端形貌變化。經(jīng)過模擬時(shí)間t，對(duì)納米針一端施加驅(qū)動(dòng)力并保持速度V勻速將納米針拔出，整 個(gè)操作過程如圖簡(jiǎn)單示出。如圖3所示，當(dāng)Ch = O.95,材料的表面能較低，系統(tǒng)的梯度能降 低，微粒間的擴(kuò)散緩慢，反應(yīng)物的微粒吸附在生成的納米針上，此時(shí)，納米針尖端沒有脫離 反應(yīng)物，如圖3a所示；當(dāng)Ch = I.0,材料的表面能增加，系統(tǒng)的自由能也增加，微粒之間正常 擴(kuò)散，此時(shí)生成的納米針尖端脫離反應(yīng)物，并且生成的尖端較細(xì)、較尖銳，如圖3b所示；當(dāng)Ch =1.05，材料表面能較大，系統(tǒng)的自由能也較大，因此微粒擴(kuò)散速度過快，此時(shí)生成的納米 針脫離材料，并且納米針的尖端較粗、較圓滑，如圖3c所示。
[0055] W上對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及原理進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而 言，依據(jù)本發(fā)明提供的思想，在【具體實(shí)施方式】上會(huì)有改變之處，而運(yùn)些改變也應(yīng)視為本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種Ag2Ga納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，其特征是按如下步驟： 一、 計(jì)算模型建立 Ag微粒與Ga微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ag2Ga，用方程2Ag+Ga=Ag2Ga表示，在整個(gè)計(jì)算模型 中存在著三個(gè)密度場(chǎng)變量，定義Ag微粒為Ci(X，y，z，t)，Ag2Ga納米針為C2(X，y，z，t)，Ga微粒 為C3(x，y，z，t)，Ci為Ag微粒的濃度占總的微粒濃度的百分比，C2為Ag2Ga微粒的濃度占總的 微粒濃度的百分比，C 3為Ga微粒的濃度占總的微粒濃度的百分比； 該計(jì)算模型自由能主要由化學(xué)能和梯度能組成，用如下方程表示：(1) 其中，F(xiàn)d1表示化學(xué)能量變化，F(xiàn)gratI表示梯度能量變化； 二、 通過改變材料的表面能來(lái)探究納米針尖端形貌變化的作用規(guī)律，控制不同材料納 米針尖端形貌變化。2. 如權(quán)利要求1所述Ag2Ga納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，其特征是： 步驟一:Cl、C2、C3的密度場(chǎng)變量通過Cahn-Hi 11 iard非線性擴(kuò)散方程決定，結(jié)合量守恒 關(guān)系，得到如下控制方程：(2) (3 J (4)其中，Vi是Ci的反應(yīng)速率，V2是C3的反應(yīng)速率，β是靈敏度系數(shù);Θ是關(guān)于Ag生成Ag2Ga的速 率的系數(shù);《9是關(guān)于Ga生成Ag2Ga的速率的系數(shù);yi、y2、y 3分別表示Ag、Ag2Ga、Ga的化學(xué)勢(shì)，用 如下方程式表示： C5) (6) (7)。3. 如權(quán)利要求2所述Ag2Ga納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，其特征是： 步驟二：表面能的改變會(huì)造成梯度能的改變，根據(jù)自由能方程（1)和化學(xué)勢(shì)方程（5)、 (6)、（7)可知，梯度能改變會(huì)改變化學(xué)勢(shì)的大小，由控制方程(2)、（3)、（4)看出，化學(xué)勢(shì)大小 會(huì)直接影響納米針的形成，因此，對(duì)最后形成的納米針尖端形貌會(huì)有一定的影響作用；所 以，通過探究不同的表面能對(duì)納米針尖端形貌變化的作用規(guī)律，達(dá)到控制不同納米尖端形 貌變化的目的； 定義上式中，ch表示材料的表面能系數(shù)，h表示梯度能的系數(shù)，L。表示納米針特征長(zhǎng)度，f 〇表 示材料常量。4.如權(quán)利要求2所述Ag2Ga納米針成型機(jī)理及尖端形貌控制研究方法，其特征是:取三組 不同的表面能系數(shù)分別是ch=l .0、ch = 0.95、ch = l .05,將一定微粒濃度比的Ag和Ga在室 溫下利用之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)模擬不同材料表面能系數(shù)的納米針尖端形貌變化;經(jīng)過模擬時(shí) 間t，對(duì)納米針一端施加驅(qū)動(dòng)力并保持速度V勾速將納米針拔出；當(dāng)ch = 0.95,材料的表面能 較低，梯度能降低，微粒間的擴(kuò)散緩慢，反應(yīng)物的微粒吸附在生成的納米針上，此時(shí)，納米針 尖端沒有脫離反應(yīng)物；當(dāng)ch= 1.0，材料的表面能增加，自由能也增加，微粒之間正常擴(kuò)散， 此時(shí)生成的納米針尖端脫離反應(yīng)物，并且生成的尖端較細(xì)、較尖銳；當(dāng)ch = l.05,材料表面 能較大，自由能也較大，因此，微粒擴(kuò)散速度過快，此時(shí)生成的納米針脫離材料，并且納米針 的尖端較粗、較圓滑。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK106021938SQ201610355855
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】張俐楠, 鄭偉, 陳超, 吳立群, 王洪成
【申請(qǐng)人】杭州電子科技大學(xué)