一种Fe或者Fe氧化物纳米粒子图案化分布生长的制备方法与流程

本发明涉及一种金属颗粒的制备方法，尤其涉及一种Fe或者Fe氧化物纳米粒子图案化分布生长的制备方法。

背景技术：

在自然界中，铁有多种氧化形式，如FeO，α-Fe₂O₃，β-Fe₂O₃，γ-Fe₃O₄等。其中，Fe₂O₃作为常温下最稳定的铁氧化物，具有廉价、原料丰富、环境友好、高抗腐蚀性等优点，可用于颜料、气敏元件、催化剂、宝石和金属的抛光剂以及各种软硬磁性材料。迄今为止，制备纳米结构的氧化铁方法分为干法和湿法，不同形式的Fe₂O₃可以通过不同方法获得，如在特定空气环境下直接氧化纯铁制备纳米线、用水热法获得纳米棒、阳极氧化纯铁制备纳米管[14]等。近年，少数研究人员通过电化学沉积技术获得立方体型的Fe₃O₄磁性纳米粒子。这些有着特殊大小和形貌的Fe氧化物粒子具有半导体特性，其电导率对温度、湿度和气体等比较敏感，是一种有发展潜力的敏感材料，可能被应用于气体传感器、锂电池里的电极材料、催化剂、磁记录材料、光学和电磁设备、污水处理等方面。

此外，氢化非晶硅（Hydrogenated Amorphous Silicon，α-Si:H）薄膜作为晶体硅（c-Si）的一种衍生材料，具有优越的光电特性，是一种重要的半导体材料，往往被广泛应用于太阳能电池和液晶显示器中的薄膜晶体管（α-Si:H TFT）等光电子器件。此外，这种材料也可以作为红外敏感材料制造红外焦平面探测器，作为压敏电阻制造压力传感器（α-Si:H薄膜可以作为MEMS中的一种基本结构材料）。氢化非晶材料也是目前主要的光电导薄膜材料，被用于光诱导介电泳技术的电极。

光诱导介电泳技术集合了介电泳和光操纵的单一效应微操纵技术的优势，在介电泳技术的发展史上具有里程碑的意义。2003年，美国加州大学伯克利分校的Ming C Wu研究小组通过800uW的激光光束直接诱导氢化非晶硅材料，构建了17um的虚拟电极实现25um胶体粒子的移动。利用激光作为氢化非晶硅薄膜“光镊”的致动光源，这种光电极一般为圆斑或者圆环。

本发明公开一种Fe或者Fe氧化物纳米粒子图案化分布生长的制备方法，利用氢化非晶硅材料的光电特性和电化学的方法，以投影仪作为诱导光源，照射到氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜-ITO透明导电玻璃基底背面，在氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜表面形成光-电场，在光-电场的作用下，通过电化学技术，获得不同尺寸、不同形貌的Fe或者Fe氧化物纳米粒子。克服现有技术只能控制Fe或者Fe氧化物纳米粒子形状和尺寸大小的不足，根据光场分布的改变，使氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜表面的电场分布发生改变，不仅可以控制Fe或者Fe氧化物纳米粒子的形状和尺寸大小，还可以精确控制粒子的生长分布，形成图案化分布。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种Fe或者Fe氧化物纳米粒子图案化分布生长的制备方法，通过对光-电场分布的控制，实现对沉积粒子的图案化控制。

本发明技术解决方案：

基于电化学方法制备铁氧化物粒子技术，利用氢化非晶硅（a-Si:H）的光电特性，光源经过容器和溶液照射到氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜-ITO透明导电玻璃基底背面，光透过ITO透明导电玻璃基底背面照射到氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜背面，氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜在光场的作用下产生电子，形成光-电场，再利用光-电场的作用，通过电化学技术，获得不同尺寸、不同形貌的Fe或者Fe氧化物纳米粒子，根据光场分布的改变，使氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜表面的电场分布发生改变，从而控制Fe或者Fe氧化物纳米粒子图案化分布生长。

所述的氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜是通过PECVD技术在ITO薄膜表面沉积获得，其厚度为1-2um，其光敏性大于100000。ITO薄膜的厚度为200-300nm，其方阻为4-5Ω，在制备氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜时，利用掩膜版遮盖ITO薄膜边缘，预留出1-5mm宽度的ITO薄膜没有沉积氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜，这部分ITO薄膜作为下导电极使用。

此外，以投影仪的高压汞灯作为光源，通过计算绘制图形，透过ITO透明导电玻璃基底背面，投影至氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜背面，在氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜表面形成相应的光-电场分布，其中，图形是可以通过计算绘制的任意图案。

本发明的原理：采用三相电极体系，以氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜-ITO透明导电玻璃基底作为工作电极，以高纯铁片作为对电极，参比电极为饱和甘汞电极。分别以六水合三氯化铁和四水合二氯化铁为三价和二价铁源，按照2:3混合比例，分别配制8mM的FeCl₂的去离子水溶液和12mM的FeCl₃的去离子水溶液各50ml，混合后置于石英烧杯中进行超声，超声频率为60-80Hz，超声温度为25℃，超声2min，作为电解液使用；设置CHI660D电化学工作站参数，电流1-10mA，加热温度25-60℃，沉积时间10s-10min；将三相电极体系浸入电解液中，开启投影仪，将投影光照射到氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜-ITO导电玻璃基底上，通过计算机设置投影光的图案，启动CHI660D电化学工作站，进行电化学沉积，结束后关闭电源，清洗电极，在常温下对样品进行干燥处理，获得与投影仪的投影图案一致的Fe或者Fe氧化物纳米粒子图案化分布。此外，也可以通过调整投影光的强弱和电化学沉积的参数，分别获得Fe或者Fe氧化物纳米粒子，其中氧化物纳米粒子包括Fe₂O₃纳米粒子和Fe₃O₄纳米粒子。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）传统的粒子制备只能通过调整制备条件参数来控制不同尺寸不同形状的粒子，但是无法实现对粒子分布的控制，本发明利用氢化非晶硅材料的光电特性，对Fe或者Fe氧化物纳米粒子的沉积分布进行控制。

（2）本发明利用氢化非晶材料的光电特性结合电化学沉积技术，利用投影仪光源作为致电极光源，通过电脑绘制不同的投影图案，并投影到电解质溶液中的氢化非晶材料表面，形成相应的空间电场分布，根据电化学原理，通过氧化还原化学反应，在材料表面电场分布的位置沉积Fe或者Fe氧化物纳米粒子。

附图说明

图1为颗粒的制备系统原理示意图；

图2为投影仪设置的投影圆环光斑图；

图3为Fe₃O₄纳米粒子样品的实物图；

图4为Fe₃O₄纳米粒子的SEM图。

具体实施方式

结合附图进一步说明本发明的实施方式和所达到的功能、效果。

本发明采用简单的方法实现一种光电场分布的控制，获得Fe或者Fe氧化物纳米粒子图案化分布生长的方法。

如1所示，以氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜-ITO透明导电玻璃基底作为工作电极5，参比电极4为饱和甘汞电极，高纯铁片作为对电极3，其中，选择ITO的厚度为260nm，方阻为4.5Ω，通过PECVD技术在ITO薄膜表面沉积获得氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜，其光敏性大于100000，在制备氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜时，利用掩膜版遮盖ITO薄膜边缘，预留出5mm宽度的ITO薄膜没有沉积氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜，这部分ITO薄膜作为下导电极使用。分别以六水合三氯化铁和四水合二氯化铁为三价和二价铁源，按照2:3混合比例，分别配制8mM的FeCl₂的去离子水溶液和12mM的FeCl₃的去离子水溶液各50ml，混合后置于石英烧杯中进行超声，超声频率为60Hz，超声温度为25℃，超声2min，设置CHI660D电化学工作站2的参数，电流5mA，加热温度25℃，沉积时间20s，将三相电极体系浸入电解液中，开启投影仪6，将投影光照射到氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜-ITO导电玻璃基底上，形成光-电场分布，通过计算机1设置圆环图案，如图2所示，启动CHI660D电化学工作站2，进行电化学沉积。根据光场的分布，氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜表面形成一个相应的电场分布，在电场内Fe3O4纳米粒子进行生长，获得与投影图案一直的粒子分布结构，如图3所示，图4为图3的Fe₃O₄纳米粒子的SEM图。结束后关闭电源，清洗电极，在常温下对样品进行干燥处理。此外，也可以通过调整投影光的强弱和电化学沉积的参数，分别获得Fe或者Fe氧化物纳米粒子，其中氧化物纳米粒子包括Fe₂O₃纳米粒子和Fe₃O₄纳米粒子。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。