制备纳米晶体的方法

纳米材料是怎么制成的？来看最全科普！

纳米材料是支撑现代科技发展的决定性因素之一，是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。其应用之广泛，几乎涉及到医食住行各个方面，包括纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。液相合成法是制备纳米材料的一种有效途径。方法简单、条件温和、低成本、低污染，并且能够实现产物的纯度、形貌及粒径。图片来源于网络

水热法是19 世纪中叶地质学家模拟自然界成矿作用而开始研究的。1900 年后科学家们建立了水热合成理论，以后又开始转向功能材料的研究。水热法又称热液法，属液相化学法的范畴。是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系的温度控制，在反应釜中产生一个高温、高压的环境用来制备、合成无机材料的一种有效方法。水热反应依据反应类型的不同可分为水热氧化、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等。其中水热结晶用得最多。水热技术具有两个特点，一是其相对低的温度，二是反应在密闭容器中进行，避免了组分挥发。在水热法中，由于处于高温高压状态，溶剂水处于临界或超临界状态，反应活性提高，水在合成反应中起到两个方面的作用：压力的传媒剂和化学反应的介质。高压下，绝大多数反应物均能完全（或部分）溶解于水，可使反应在接近均相中进行，从而加快反应的进行。在这一过程中，温度、压力、溶液浓度等参量之间互相影响、相互制约，对最终样品的形态有极大影响。因此，只有严格、精确地控制样品制备过程中的各项条件，才可能制备出具有特定形貌的纳米样品。图片来源于网络

水热法引起人们广泛关注的主要原因是：（1）水热法采用中温液相控制，能耗相对较低，适用性广，既可用于超微粒子的制备，也可得到尺寸较大的单晶，还可以制备无机陶瓷薄膜。（2）原料相对廉价易得，反应在液相快速对流中进行，产率高、物相均匀、纯度高、结晶良好，并且形状、大小可控。（3）在水热过程中，可通过调节反应温度、压力、热处理时间、溶液成分、pH值、前驱物和矿化剂的种类等因素，来达到有效地控制反应和晶体生长特性的目的。（4）反应在密闭的容器中进行，可控制反应气氛而形成合适的氧化还原反应条件，可获得某些特殊的物相，尤其有利于有毒体系中的合成反应，这样可以尽可能地减少环境污染。由于水热过程中制备出的纳米微粒通常具有物相均匀、纯度高、晶形好、单分散、形状以及尺寸大小可控等特点，水热技术己被广泛地应用于纳米材料的制备。但是水热法也有其严重的局限性，最明显的一个缺点就是，该法往往只适用于氧化物或少数对水不敏感的硫化物的制备，而对其他一些对水敏感的化合物的制备就不适用。在这种背景下，人们又发展出了溶剂热技术。

溶剂热合成技术在原理上，与水热法十分相似，以有机溶剂代替水，大大拓宽了水热法的应用范围，是水热法的发展。非水溶剂同时也起到传递压力、媒介和矿化剂的作用。溶剂热合成具有一些其它方法无法取代的独特优点。首先，溶剂热合成可以有效地杜绝前驱物、产物的水解和氧化，有利于合成反应的顺利进行。其次，溶剂热体系是实现材料形状控制的重要手段，溶剂热体系的低温、高压、溶液条件，有利于生成具有晶型完美、规则取向的晶体，且合成产物的纯度高。通过选择和控制反应温度和溶剂可制得不同粒径的纳米材料，尤其是当在溶剂热体系中辅佐以高分子、表面活性剂等手段，对材料的形状具有有效的控制作用。再次，溶剂热是实现特殊物相合成的重要方法，在溶剂热体系中反应物处于分子或胶体分子状态，反应活性高，可替代某些固相反应，促进低温和软化化学的发展，实现一些新的化学反应，并且由于体系化学环境不同，可能形成在常规条件下无法获得的亚稳相产物。

水热溶剂热条件下，影响产物形貌的主要因素有：（1）溶剂的性质：主要包括溶剂的粘度、与金属的配位能力、对盐和金属的溶解能力、酸碱性等。研究表明，溶剂的强配位能力对于合成一维纳米晶材料是关键的，溶剂配位能力不仅影响产物形貌，而且还影响反应活性和物相。因而选择适当的溶剂，有助于介稳相的合成。另外，如果不存在配位溶剂，但反应物中存在有配位能力的物质的话，同样也可能形成一维形貌的材料。（2）温度的影响：一般而言，温度升高，纳米粒子的尺寸会增大。反应温度不仅影响反应动力学，而且导致产物相转变。（3）模板作用：通常所说的模板合成法中的模板属于硬模板，主要是利用基质材料结构中的空隙进行纳米材料合成，结构基质包括玻璃、分子筛、大分子离子交换树脂和聚合物等，但同时也经常使用软模板。在水热条件下，两种模板都比较有效。比如多胺就被认为是合成一维纳米晶的软模板。除了上述的主要影响因素外，其它如反应时间、pH值、催化剂和反应物比例等因素同样也会影响材料的制备。

由此可见，水热法和熔解热法在无机纳米晶的合成领域具有广泛的适用性。由于反应在密闭容器中进行，避免了反应过程中有毒物质的散发，反应过程较为简单且具有良好的可重复性。总之，该技术是应工业生产的要求而诞生的，随着其自身的发展又极大地促进了其它科学和技术的进步；它作为一种简便、安全的纳米合成技术必将得到更大的发展。

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用机械合金化技术制备纳米晶材料时,其工艺参数是如何选择的

纳米晶,球磨60小时的粉末为纳米晶和多晶的混合物,晶粒尺寸小于60nm；60小时后晶粒尺寸变化缓慢。球磨过程中没有中间相生成。结合面元素扫描和能谱分析,球磨后Ti、Al、V的原子比近似为90：6：4,与Ti-6A1-4V元素成分一致,也即球磨后获得Ti-6A1-4V合金粉末。 2)经机械球磨后颗粒形状和尺寸与球磨工艺参数,如球磨机转速、球料比、球磨时间等密切相关。随着球磨时间的延长,粉末颗粒平均粒径呈不断减小的趋势,且在30h到60h之间,粉末粒度尺寸降幅最大,球磨60h后,球磨并不能改变粉末的粒度,70h后容易出现团聚；大的球料比有利于粉末细化和形成固溶体；增加球磨转速,球磨能量大,能使粉末

纳米技术怎样制作纳米芯片？

2002年7月份，曾在几年前宣布摩尔定律死刑的这一定律的创始人戈登·摩尔接受了记者的采访。不过，这次他表现得很乐观，他表示：“芯片上晶体管数量每18个月增加二倍的速度虽然目前呈下降趋势，但随着纳米技术的发展，未来摩尔定律依然会继续生效。”看来，摩尔本人也把希望放到了纳米技术上。下面就让我们来看看纳米技术怎样制造纳米芯片。

我们知道目前的计算机芯片是用半导体材料做的。20世纪可以说是半导体的世纪，也可以说是微电子的世纪，微电子技术是指在半导体单晶材料(目前主要是硅单晶)薄片上，利用微米和亚微米精细结构技术，研制由成千上万个晶体管和电子元件构成的微缩电子电路(称为芯片)，并由不同功能的芯片组装成各种微电子仪器、仪表和计算机。芯片可以看做是集成电路块。集成电路块从小规模向大规模发展的历程，可以看做是一个不断向微型化发展的过程。20世纪50年代末发展起来的小规模集成电路，集成度(一个芯片包含的元件数)为10个元件；20世纪60年代发展成中规模集成电路，集成度为1000个元件；20世纪70年代又发展了大规模集成电路，集成度达到10万个元件；20世纪肋年代更发展了特大规模集成电路，集成度超过100万个元件。1988年，美国国际商用机器公司(1BM)已研制成功存储容量达64兆的动态随机存储器，集成电路的条宽只有0.35微米。目前实验室研制的新产品为0.25微米，并向0.1微米进军。到2001年已降到0.1微米，即100纳米。这是电子技术史上的第四次重大突破。今天，芯片的集成度已进一步提高到1000万个元件。集成电路的条宽再缩小，将出现一系列物理效应，从而限制了微电子技术的发展。为了解决这个挑战，已经提出纳米电子学的概念。这一现象说明了：随着集成电路集成度的提高，芯片中条宽越来越小，因此对制作集成电路的单晶硅材料的质量要求越来越高，哪怕是一粒灰尘也可能毁掉一个甚至几个晶体管，这也是为什么摩尔本人几年前宣判摩尔定律“死刑”的原因。

据有关专家预测，在21世纪，人类将开发出徽处理芯片与活细胞相结合的电脑。这种电脑的核心元件就是纳米芯片。芯片是电脑的关键器件。生命科学和材料科学的发展，科学家们正在开发生物芯片，包括蛋白质芯片及DNA芯片。

蛋白质芯片，是用蛋白质分子等生物材料，通过特殊的工艺制备成超薄膜组织的积层结构。例如把蛋白质制备成适当浓度的液体，使之在水面展开成单分子层膜，再将其放在石英层上，以同样方法再制备——层有机薄膜，即可得到80～480纳米厚的生物薄膜。这种薄膜由两种有机物薄膜组成。当一种薄膜受紫外光照射时，电阻上升约40％左右，而用可见光照射时，又恢复原状。而另一种薄膜则不受可见光影响，但它受到紫外光照射时，电阻便减少6％左右。据介绍，日本三菱电机公司把两种生物材料组合在一起，制成了可以光控的新型开关器件。这种薄膜为进一步开发生物电子元件奠定了实验基础，并创造了良好的条件。

这种蛋白质芯片，体积小、元件密度高，据测每平方厘米，可达1015～1016个，比硅芯片集成电路高上万倍，表明这种芯片制成的装置其运行速度要比目前的集成电路快得多。由于这种芯片是由蛋白质分子组成的，在一定程度上具有自我修复能力，即成为一部活体机器，因此可以直接与生物体结合，如与大脑、神经系统有机地连接起来，可以扩展脑的延伸。有人设想，将蛋白质芯片植入大脑，将会出现奇迹。如视觉先天缺陷或后天损伤可以得到修复，使之重现光明等。

虽然目前生产与装配上述分子元件还处于探索阶段，而且天然蛋白质等生物材料不能直接成为分子元件，必须在分子水平上进行加工处理，这有很大难度，但前途是光明的。据介绍，日本已制定了开发生物芯片的10年计划，政府计划投入100亿日元做各项研究。世界上一些大公司，如日立、夏普等都看好生物芯片的前景，十分重视这项研究工作。

人的大脑约有140亿个神经细胞，掌管着思维、感觉及全身的活动。虽然电脑已面世多年；但其精细程度和人脑相比，仍然差一大截。为了使电脑早日具有人脑的功能和效率，科学家近年致力研究开发人工智能电脑，并已取得不少进展。人工智能电脑是以生物芯片为基础的。生物芯片有多种，血红蛋白集成电路就是新型的生物芯片之一。

美国生物化学家詹姆士·麦克阿瑟，首先构想把生物技术与电子技术结合起来。他根据电脑的二进制工作原理，发现血红蛋白也具有类似“开”和“关”的双稳态特性。当改变血红蛋白携带的电荷时，它会出现上述两种变化，这就有可能利用生物的血红蛋白构成像硅电子电路那样的逻辑电路。麦克阿瑟首先利用生物工程的重组DNA技术，制成了血红蛋白“生物集成电路”，使研制“人造脑袋”取得了突破性进展。此后，生物集成电路的研究便逐步展开。美国科学家在硅晶片上重组活细胞组织获得成功。它具有硅晶片的强度，又有生物分子活细胞那样的灵活和智能。德国科学家所研制成的聚赖氨酸立体生物晶片，在1立方毫米晶片上可含100亿个数据点，运算速度更达到10皮秒(一千亿分之一秒)，比现有的电脑快近100万倍。

DNA芯片又称基因芯片，DNA是人类的生命遗传物质脱氧核糖核酸的简称。因为DNA分子链是以ATGC(A-T、G-C)为配对原则的，它采用一种叫做“在位组合合成化学”和微电子芯片的光刻技术或者用其他方法，将大量特定顺序的稤NA片段，有序地固化在玻璃或者硅片上，从而构成储存有大量生命信息的DNA芯片。DNA芯片，是近年来在高新科技领域出现的具有时代特征的重大技术创新。

每一个DNA就是一个微处理器。DNA计算速度是超高速的，理论上计算，它的运算速度每小时可达1015次数，是硅芯片运算速度的1000倍。而且，DNA的存储量是很大的，每克DNA可以储存上亿个光盘的信息。不过，目前的主要难点是解决DNA的数据输出问题。

DNA芯片有可能将人类的全部约8万个基因集约化地固定在1平方厘米的芯片上。在与待测样品的DNA配对后，DNA芯片即可检测出大量相应的生命信息。例如寻找基因与癌症、传染病、常见病和遗传疾病的关系，进一步研究相应药物。目前已知有6000多种遗传病与基因相关，还有环境对人体的影响，例如花粉过敏和对环境污染的反应等都与基因有关。已知有200多个与环境影响相关的基因，对这些基因的全面监测，对生态、环境控制及人类健康均有重要意义。

DNA芯片技术既是人类基因组研究的重要应用课题，又是功能基因研究的崭新手段。例如单核苷酸的多态性，是非常重要的生命现象，科学家认为，人体的多样性和个性取决于基因的差异，正是这种单核苷酸多态性的表现，如人的体形、长相与500多个基因相关。通过DNA芯片，原则上可以断定人的特征，甚至脸形、长相、外貌特点，生长发育差异等。

“芯片巨人”英特尔公司于2000年12月公布，英特尔公司用最新纳米技术研制成功30纳米晶体管芯片。这一突破将使电脑芯片速度在今后5～10年内提高到2000年的10倍，同时使硅芯片技术向物理极限更近一步。新型芯片的运算速度已达目前运算速度最快芯片的7倍。它能在子弹飞行30厘米的时间内运算2000万次，或在子弹飞行25毫米的时间内运算200万次。晶体管门是计算机芯片进行运算的开关，新芯片是以3个原子厚度的晶体管“门”为基础，比目前计算机使用的180纳米晶体管薄很多。要制造这种芯片的障碍是控制它产生的热量。芯片的运行速度越快，产生的热量就越多。过多的热量会使制造计算机芯片所用的材料受到损坏。英特尔公司经过了长期的研究，解决了这一问题。这种原子级晶体管是用新的化学合成物制成的，这种新材料可以使芯片在运行时温度不会过高。这种芯片的出现将为研制模拟以人的方式，可以和人进行交流的电脑创造条件。英特尔公司说，他们开发出的这种迄今世界上最小最快的晶体管，厚度仅为30纳米。这将使英特尔公司可以在未来5～10年内生产出集成有4亿个晶体管、运行速度为每秒10亿次，工作电压在1伏以下的新型芯片。而目前市场上出售的速度最快的芯片“奔腾4代”集成了4200万个晶体管。英特尔公司称，用这种新处理器制造的产品最早将在2005年以后投放市场。

英特尔公司的一位工程师说：“30纳米晶体管的研制成功使我们对硅的物理极限有了新看法。硅也许还可以使用15年，此后会有什么材料取代硅，那是谁也说不准的事。”他又说：“更小的晶体管意味着更快的速度，而运行速度更快的晶体管是构筑高速电脑芯片的核心模块，电脑芯片则是电脑的‘大脑’。”英特尔公司预测，利用30纳米晶体管设计出的电脑芯片可以使“万能翻译器”成为现实。比如说英语的人到中国旅游，就可以通过随身携带的翻译器，将英语实时翻译成中文，在机场、旅馆或商店不会有语言障碍。在安全设施方面，这种芯片可以使警报系统识别人的面孔。此外，将来用几千元人民币就可以买一台高速台式电脑，其运算能力可以跟现在价值上千万元的大型主机媲美。

单位面积上晶体管的个数是电脑芯片集成度的标志，晶体管数量越多，说明集成度越高，而集成度越高，处理速度就越快。30纳米晶体管将开始出现在用0.07微米技术产品上，目前英特尔公司使用的是0.18微米技术，而1993年的“奔腾”处理器使用的是0.35微米技术。在芯片上“刻画”电路，0.07微米技术用的是超紫外线光刻技术，比2001年最先进的深紫外线光刻技术更为先进。如果在纸上画线，深紫外线光刻使用的是钝铅笔，而超紫外线光刻使用的是削尖了的铅笔。

晶体管越来越小的好处主要有两方面：一是可以用较低，的成本提高现有产品性能；二是工程师可以设计原来不可能的新产品。这两个好处正是推动半导体技术发展的动力，因为企业提高了利润，就有可能在研发上投入更多。看来，纳米技术的确可以延长摩尔定律的寿命，这也正是摩尔本人和众多技术人员把目光放到纳米技术之上的原因所在。

影响中间合金晶粒大小的因素及其控制方法有哪些？

1，凝固控制，包括晶粒细化剂（一般是中间合金），晶粒细化元素； 缩短凝固时间，这个不能太过，太多会产生非晶； 凝固过程施加电磁搅拌之类的外力物理细晶。 2，已经成锭的可以，锻造细化晶粒（这种方法在一定条件下可以制备纳米晶，参加卢柯院士的相应文章）；冷加工轧制可以在轧制方向细化晶粒，然后再结晶也可以细化晶粒。 楼上说的气相，应该是制备纳米晶体的方法，在实际细化材料晶粒方面没有什么用，除非你做功能材料，再考虑纳米材料的制备。

纳米晶体是什么

• 纳米晶体指纳米尺寸上的晶体材料，或具有晶体结构的纳米颗粒。

• 纳米晶体具有很重要的研究价值。纳米晶体的电学和热力学性质显现出很强的尺寸依赖性，从而可以通过细致的制造过程来控制这些性质。

• 纳米晶体能够提供单体的晶体结构，通过研究这些单体的晶体结构可以提供信息来解释相似材料的宏观样品的行为，而不用考虑复杂的晶界和其他晶体缺陷。尺寸小于10纳米的半导体纳米晶体通常被称为量子点。

• 用沸石制成的纳米晶体可以用作把原油转换成柴油的过滤器，比传统炼油方法要便宜。

• 纳米晶体制作的光电池具有便宜高效的特点。