专利名称：全固态环境下制备金属纳米结构材料的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种制备具有复杂表面形貌的金属纳米结构材料的方法及装置。
背景技术：
关于金属纳米材料的制备已有多篇文献报道[见文献J.J.Zhu，S.W.Liu，O.Palchik，andet al.，Langmuir，16(2000)6396-6399；S.H.Chen，Z.Y.Fan，D.L.Carroll，J.Phys.Chem.B.，106(42)10777-10781；B.H.Hong，S.C.Bae，C.W.Lee，and et al.，Science，294(2001)348-351；P.K.Mukherjee and D.Chakravorty，J.Mater.Res.，17(2002)3127-3132；J.Zhang，X.Wang，X.Peng，and et al.，Applied Physics A，75(2002)485-488；G.J.Chi，S.W.Yao，J.Fan and et al.，Acta Physico-Chimica Sinica，18(2002)532-535；M.Barbic，J.J.Mock，D.R.Smith and et al.，J.Appl.Phys.，91(2002)9341-9345；S.Bhattachryya，S.K.Saha，D.Chakravorty，Appl.Phys.Lett.，77(2000)3770-3772；Y.Zhou，S.H.Yu，X.P.Cui and et al.，Chemistry of Materials，11(1999)545-549]，上述文献中所公开的这些材料包括规则的纳米颗粒排列、纳米线、纳米棒、纳米管，以及不规则的纳米盘、纳米树等，归纳起来其金属纳米材料多是采用模板法以及利用含金属离子的溶液沉积法制备出来的。
发明内容
本发明的目的是提供一种全固态环境下制备金属纳米结构材料的方法及装置，即在全固态环境且无任何模板的条件下，在常温、常压和大气中，通过改变金属离子导电薄膜的外加电场制备出具有复杂表面形貌的金属纳米材料。
本发明的技术方案如下一种全固态环境下制备金属纳米结构材料的装置，其特征在于该装置包括直流电源，基片及沉积在其基片上的金属离子导电膜，金属阳极和金属阴极，所述的金属阳极为沉积在基片一端的且与所要制备的金属纳米材料相同的金属膜，所述的金属阴极为沉积在基片另一端与金属阳极相同或不同的金属膜。
一种全固态环境下制备金属纳米材料的方法，其特征在于该方法包括如下步骤(1)将所要制备的金属纳米材料的离子导电膜沉积在基片上，然后在基片的一端沉积与所要制备的金属纳米材料相同的金属膜作为阳极，而在基片的另一端沉积与金属阳极相同或不同的金属膜作为阴极；或者首先在基片上沉积金属阳极和阴极，然后再在其上沉积所要制备的金属纳米材料的离子导电膜；(2)在两极间施加外加直流电场，电场强度为3000～11000伏特/米。
本发明所述的的基片采用单晶氯化钠。
本发明的机理在于在外加电场作用下，阳极金属膜中的金属原子会失去电子变成阳离子，并且它会通过离子导电膜向阴极移动，在阴极上金属阳离子会得到电子还原成金属原子并在阴极表面形成晶核，进而随后而至的其它金属阳离子会在核上不断堆积且渐渐长大，并形成由阳极金属原子构成的具有不同表面形貌的纳米结构。实验表明金属纳米结构的形貌是由两极之间的电场决定的。
本发明提出了一种与现有技术完全不同的制备金属纳米材料的新方法，即采用全固态环境下，及常温、常压和大气气氛中，且无任何模板的情况下，利用金属离子导电膜在外电场控制下制备出了具有各种不同形状的金属纳米材料，具有方法简单，易于操作的优点。
图1a、1b是本发明的实验装置的结构示意图。
图2是利用本发明制备的叶片状金属银纳米结构材料的扫描电子显微镜图像，场强为3300伏特/米。
图3是利用本发明制备的网状金属银纳米结构材料的扫描电子显微镜图像，场强为7500伏特/米。
图4是利用本发明制备的树枝状金属银纳米结构材料的扫描电子显微镜图像，场强为9000伏特/米。
图5是利用本发明制备的织布状金属银纳米结构材料的扫描电子显微镜图像，场强为11000伏特/米。
图6是利用本发明制备的密网状金属铜纳米结构材料的扫描电子显微镜图像，场强为10000伏特/米。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明具体实施，以进一步理解本发明。
如图1a、1b所示，本发明所述的装置可采用两种结构方式，该装置包括基片1，金属阳极2，金属离子导电膜3，金属阴极4，直流电源5。
制备金属纳米材料的前提是制备出该金属离子的导电膜，也就是将能够传导该金属离子的导电膜沉积在基片上，再在其一端沉积与所要制备的金属纳米结构材料相同的金属膜作为阳极，而在另一端沉积与阳极金属相同或不同的金属膜作为阴极，并使两极分别与直流电源的相应的正极和负极连接(如图1a所示)。当然，也可以采用图1b的方案，即首先在基片上沉积金属阳极和阴极，然后再在其上沉积所需的金属离子导电膜。这样，在外加电场作用下，阳极金属膜中的金属原子会失去电子变成阳离子，并且它会通过离子导电膜向阴极移动，在阴极金属阳离子会得到电子还原成金属原子并在阴极表面形成晶核，进而随后而至的其它金属阳离子会在核上不断堆积且渐渐长大，并形成由阳极金属原子构成的具有不同表面形貌的纳米结构材料。实验表明金属纳米结构材料的形貌是由两极之间的电场决定的。
在制备金属银纳米结构材料时，我们选择单晶氯化钠作基片，阳极为纯银膜或银胶膜，阴极为银膜、铜膜或铝膜，银离子导电膜为KxRb1-xAg4I5(x＝0~1)，外加电场强度为3000～11000伏特/米。
在制备金属铜纳米结构材料时，我们选择单晶氯化钠作基片，阳极为纯铜膜，阴极为银膜、铜膜或铝膜，铜离子导电膜为RbCu4Cl3I2，外加电场强度为2000～10000伏特/米。
当然，对于其它金属纳米结构材料的制备，如锂、锌等金属也存在其离子导电材料，所以本发明的制备装置和方法是普遍适用于各种金属纳米材料的制备的，其关键所在是利用该金属离子导电材料制成薄膜。
关于所需金属离子的导电膜及其制备方法，在以下的文献中已详细公开“V.K.Miloslavsky，O.N.Yunakova andJ.L.Sun.Exciton spectrum in superionic RbAg4I5conductor，Funct.Mater.1994，1，51-55”；“В.К.Милославский иЦ.Л.Сунъ.Оптический спектр и зкситоны всуперионном проводнике КAg4I5，Функц.Матер.1995，2，438-440”；“V.K.Miloslavskii，E.N.Kovalenko and O.N.Yunakova.Absorption spectrumand excitons in thin films of the solid electrolyte RbCu4Cl3I2，Phys.Solid State，1998，40，934-937”；“J.L.Sun，G.Y.Tian，Y.Cao and et al..Phase transition andtemperature dependence of the A1low-frequency exciton band parameters in quaternarycompound Rb0.5Cs0.5Ag4I5thin films，Chin.Phys.Lett.，2002，19，1326-1328”。
另外，本发明人曾在申请号为02121109.4，名称为“一种固体电介质晶体材料及其晶体薄膜的制备方法”同样对金属导电薄膜的制备方法进行了说明。
实施例1选择阳极为金属银膜，阴极为金属铝膜，离子导电膜为K0.75Rb0.25Ag4I5，外加电场为3300伏特/米，得到金属银纳米结构材料为叶片状(图2)。
实施例2选择阳极为金属银膜，阴极为金属银膜，离子导电膜为RbAg4I5，外加电场强度为7500伏特/米，得到金属银纳米结构材料为网状(图3)。
实施例3选择阳极为银胶膜，阴极为金属铜膜，离子导电膜为RbAg4I5，外加电场强度为9000伏特/米，得到金属银纳米结构材料为树枝状(图4)。
实施例4
选择阳极为金属银膜，阴极为金属银膜，离子导电膜为K0.5Rb0.5Ag4I5，外加电场强度为11000伏特/米，得到金属银纳米结构材料为织布状(图5)。
实施例5选择阳极为金属铜膜，阴极为金属银膜，离子导电膜为RbCu4Cl3I2，外加电场强度为10000伏特/米，得到金属铜纳米结构材料为密网状(图6)。
为得到各种不同的金属纳米结构材料，其外加电场强度最佳值要大于3000伏特/米而小于离子导电膜的击穿电场强度。
权利要求
1.一种全固态环境下制备金属纳米结构材料的装置，其特征在于该装置包括直流电源，基片及沉积在其基片上的金属离子导电膜，金属阳极和金属阴极，所述的金属阳极为沉积在基片一端的且与所要制备的金属纳米材料相同的金属膜，所述的金属阴极为沉积在基片另一端与金属阳极相同或不同的金属膜。
2.采用如权利要求1所述的全固态环境下制备金属纳米结构材料装置的方法，其特征在于该方法包括如下步骤(1)将所要制备的金属纳米结构材料的离子导电膜沉积在基片上，然后在基片的一端沉积与所要制备的金属纳米结构材料相同的金属膜作为阳极，而在基片的另一端沉积与金属阳极相同或不同的金属膜作为阴极；或者首先在基片上沉积金属阳极和阴极，然后再在其上沉积所要制备的金属纳米材料的离子导电膜；(2)在两极间施加外加直流电场，电场强度为3000～11000伏特/米。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述的基片单晶氯化钠。
全文摘要
全固态环境下制备金属纳米结构材料的方法及装置，属于纳米材料制备技术领域。该装置包括直流电源，基片及沉积在其基片上的金属离子导电膜，金属阳极和金属阴极。该方法是在全固态环境下，及常温、常压和大气气氛中，且无任何模板的情况下，利用沉积在基片上的金属离子导电膜在外电场控制下制备出了具有各种不同形状的金属纳米结构材料，具有方法简单，易于操作的优点。
文档编号B82B3/00GK1522952SQ03104878
公开日2004年8月25日 申请日期2003年2月21日 优先权日2003年2月21日
发明者孙家林, 孙红三, 刘伟, 刘晟, 郭继华 申请人:清华大学