專利名稱：一種氮化鋁納米梳及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種簡單的制備高純氮化 鋁雙邊納米梳的方法。
背景技術(shù)：
自1991年Iijima首次用高分辨電鏡觀察到碳納米管以來， 一維納米結(jié)構(gòu)材料 (納米線、納米管、納米棒和納米帶等)的研究一直是納米結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的前S 和熱點。這是因為一維納米結(jié)構(gòu)材料在理解納米材料基本物理特性和構(gòu)筑納米功 能器件等應(yīng)用領(lǐng)域充當(dāng)著非常重要的角色。隨著一維納米材料的發(fā)展，分級納米 結(jié)構(gòu)，如納米梳，四針狀納米棒等陸續(xù)被報道出來。但到目前為止，只有ZnO單 邊和雙邊納米梳被可控的合成過，它們都是利用熱蒸發(fā)輸運沉積的方法制備的 (Chemical Physics Letters 417 (2006) 358—362， Nanotechnology 17 (2006) 1916-1921)。這些特殊的納米結(jié)構(gòu)具有重要的應(yīng)用前景和理論研究價值。
III族金屬氮化物主要是指氮化鋁(A1N)、氮化鎵(GaN)和氮化銦(InN)， 具有良好的熱傳導(dǎo)性和較強的抗腐蝕性，可以在更惡劣的環(huán)境下工作。它們是制 作紅、黃、綠，特別是藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)、大功率晶體管
的理想材料，在可見光源和紫外光源領(lǐng)域、制造高溫電子器件和短波發(fā)光器方面 有廣闊的應(yīng)用前景。A1N作為重要的ni族金屬氮化物之一，具有寬禁帶(6.2 eV)， 高熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)、低的介電系數(shù)和介電損耗、高硬度、高強度、高絕 緣性、無毒等一系列優(yōu)良特性，并且易于加工等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用 于高級陶瓷、復(fù)合材料、電子材料等領(lǐng)域。目前，人們通過不同的方法和手段如 三氧化二鋁碳熱還原法、化學(xué)氣相沉積法、高能球磨法、溶膠凝膠法等，制備 了常規(guī)形貌的氮化鋁納米線、納米帶、納米尖、納米管以及奇特形貌的氮化鋁納 米結(jié)構(gòu)，諸如納米花、納米環(huán)等，但是制備納米梳的方法所需的成本高，合成時
3間長并且工藝復(fù)雜不易控制，限制了其發(fā)展；并且由于使用催化劑、模板劑而污 染環(huán)境。
對于制備氮化鋁雙邊納米梳或雙邊與單邊相混的納米梳還沒有報道過。

發(fā)明內(nèi)容
本專利要解決的技術(shù)問題是，克服傳統(tǒng)納米材料制備中的缺點，設(shè)計出了一 種制備氮化鋁雙邊納米梳或氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳的方法，不僅方法簡 單，重復(fù)性好，成本低，無催化，無模板，還對環(huán)境友好，并且生長出的氮化鋁 納米梳產(chǎn)量高、純度高。
本發(fā)明所述的氮化鋁納米梳是氮化鋁雙邊納米梳或雙邊與單邊相混納米梳。
本發(fā)明的氮化鋁雙邊納米梳，由納米線陣列形成的雙邊梳狀結(jié)構(gòu)，在中間主 干兩側(cè)生長有納米線；納米線由六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的A1N構(gòu)成；納米線的直 徑一般約為70 100 nm，長度約1 2 ,。
本發(fā)明的氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳中，除了有納米線陣列形成的雙邊梳 狀結(jié)構(gòu)，在中間主干兩側(cè)生長有納米線外，還有由納米線陣列形成的單邊梳狀結(jié) 構(gòu)，在中間主干一側(cè)生長有納米線，二者組成氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳。其 中單邊和雙邊納米梳都是由六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的A1N構(gòu)成。
上述的納米梳的主要成分是A1和N，且二者比例接近l:l;該結(jié)構(gòu)中納米 線的直徑、長度和排列都比較均勻。
本發(fā)明的氮化鋁納米梳的制備方法，是采用直流電弧放電裝置，具體裝置可 見說明書附圖中圖l，在高溫低壓系統(tǒng)條件下，使金屬鋁直接與氮氣和氨氣的混 合氣體發(fā)生反應(yīng)，制備出白色的納米梳樣品。
制備氮化鋁雙邊納米梳的具體技術(shù)方案如下。
一種制備氮化鋁雙邊納米梳的方法，是以鋁塊、氮氣和氨氣的混合氣體為原 料，混合氣體中按體積比氮氣氨氣=70 75 : 25 30;電弧放電裝置的陽極為銅 鍋，陰極為鎢電極，制備過程中銅鍋陽極通循環(huán)冷卻水；將鋁塊放入直流電弧放電裝置反應(yīng)室內(nèi)的銅鍋中，反應(yīng)室抽真空，在氣壓小于5Pa后，通過氣體流量計 控制氮氣和氨氣體積比例充入混合氣體，使反應(yīng)室內(nèi)氣壓為20 50 kPa;在電壓 為15 40V，電流為8(K120 A條件下反應(yīng)10 100分鐘；在銅鍋和Ai塊上收集 到白色的粉末為A1N雙邊納米梳。
所述的原料是高純鋁塊、高純氮氣和高純氨氣；純度可以為99.99%或更高。 制備氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳的具體技術(shù)方案如下。
一種制備氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳的方法，是以鋁塊、氮氣和氨氣的混 合氣體為原料，混合氣體中按體積比氮氣氨氣=76 79 : 21 24;電弧放電裝置 的陽極為銅鍋，陰極為鎢電極，制備過程中銅鍋陽極通循環(huán)冷卻水；將鋁塊放入 直流電弧放電裝置反應(yīng)室內(nèi)的銅鍋中，反應(yīng)室抽真空，在氣壓小于5Pa后，通過 氣體流量計控制氮氣和氨氣體積比例充入混合氣體，使反應(yīng)室內(nèi)氣壓為20 50 kPa;在電壓為15 35V，電流為80 120 A條件下反應(yīng)10 100分鐘；在銅鍋和 Al塊上收集到白色的粉末為氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳。
所述的原料是高純鋁塊、高純氮氣和高純氨氣；純度可以為99.99%或更高。
在制備過程中銅鍋陽極通入循環(huán)水，能在反應(yīng)結(jié)束后使銅鍋里的溫度迅速下 降，達(dá)到淬火的效果。鎢陰極可以是棒狀的，直徑可以3 8mm。
制備氮化鋁雙邊納米梳的方法和制備氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳的方法 基本是相同的，不同的主要是在充入反應(yīng)室內(nèi)的氮氣與氨氣的體積比例。
本發(fā)明的有益效果在于，對于A1N納米材料，首次合成出了具有雙邊納米 線陣列或雙邊與單邊相混納米線陣列的納米梳結(jié)構(gòu)；無論是單邊還是雙邊納米梳 結(jié)構(gòu)，他們納米線的直徑和排列都較為均勻，產(chǎn)量高、純度高。所使用的原料是 較為廉價的金屬鋁，氮氣和氨氣，且制備時間短，成本低；無催化，無模板，對 環(huán)境友好；而且方法簡單，重復(fù)性好。這種形狀規(guī)整的納米線陣列將會在激光干 涉/耦合、納米激光器陣列、納米機(jī)電系統(tǒng)等方面有應(yīng)用前景。


5圖1是本發(fā)明直流電弧放電裝置結(jié)構(gòu)圖。 圖2是實施例2制得的A1N雙邊納米梳的SEM圖。 圖3是實施例2制得的A1N雙邊納米梳的TEM圖。 圖4是實施例2制得的A1N雙邊納米梳的EDX圖。 圖5是實施例2制得的A1N雙邊納米梳的XRD譜圖。 圖6是實施例3制得的A1N雙邊納米梳的SEM圖。 圖7是實施例4的A1N單邊和雙邊納米梳的SEM圖。 圖8是實施例5的A1N單邊和雙邊納米梳的SEM圖。
具體實施例方式
實施例1結(jié)合圖1說明本發(fā)明的一種制備納米梳的裝置。
圖1中，l為反應(yīng)室；2為水冷收集壁；3為鎢陰極，可以是棒狀的4為鋁 塊；5為銅鍋陽極，陰極3和陽極5與直流電源接通；6為循環(huán)冷卻水口，包括 進(jìn)水和出水口； 7為混合氣體進(jìn)氣口； 8為放氣口， 9為水冷收集壁進(jìn)水口， 10 為水冷收集壁出水口。
水冷收集壁2是為反應(yīng)是冷卻用的，以對制備納米梳的裝置進(jìn)行保護(hù)。 實施例2制備A1N雙邊納米梳的全過程。
首先將高純Al塊(純度99.999%)放入直流電弧放電裝置反應(yīng)室的銅鍋中。 電弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為直徑為3mm的鎢電極，陽極通入循環(huán)冷卻 水。將直流電弧放電裝置的反應(yīng)室抽成真空(小于5pa)，然后充入氮氣和氨氣 的混合氣體(純度99.999%)至20kPa。氨氣在混合氣體中的體積比例為25%。 在電壓為15 V，電流為80 A下反應(yīng)IO分鐘后，在陽極銅鍋和Al塊上收集到 白色的粉末為A1N雙邊納米梳。
從圖2，圖3給出實施例2制得的雙邊納米梳結(jié)構(gòu)，它的兩側(cè)的納米線陣列 從中間主干分別向兩個方向?qū)ΨQ生長，可以看出納米線的直徑和長度非常均勻。 納米線的直徑約70-100 nm長度度約1 2 pm。圖5中的XRD衍射峰表明，所有條件制備的樣品均為六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu) 的純A1N;同時沒有發(fā)現(xiàn)其它雜質(zhì)的衍射峰，表明樣品的純度很高。圖4的EDS 分析表明，納米梳的主要成分是A1和N，且二者比例接近l: 1，進(jìn)一歩證明了 樣品的高純度。從樣品的掃描電鏡照片圖2可以看出，樣品的產(chǎn)量是很高的。
實施例3 制備A1N雙邊納米梳的全過程。
首先將高純A1塊(純度99.999%)放入直流電弧放電裝置反應(yīng)室的銅鍋中。 電弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為直徑為8mm的鎢電極，陽極通入循環(huán)冷卻 水。將直流電弧放電裝置的反應(yīng)室抽成真空(小于5pa)，然后充入氮氣和氨氣 的混合氣體(純度99.999%)至50kPa。氨氣在混合氣體中的體積比例為30%。 在電壓為40V，電流為120A下反應(yīng)IOO分鐘后，在陽極銅鍋和Al塊上收集到 白色的粉末為A1N雙邊納米梳。
圖6是本實施例制得的A1N雙邊納米梳的SEM圖。從圖6可以看出雙邊納 米梳結(jié)構(gòu)，它的兩側(cè)的納米線陣列從中間主干分別向兩個方向?qū)ΨQ生長，可以看 出納米線的直徑和長度非常均勻。納米線的直徑約70 100 nm長度度約1 2 ^m。
實施例4制備A1N雙邊與單邊相混納米梳的全過程。
首先將高純A1塊(純度99.999%)放入直流電弧放電裝置反應(yīng)室的銅鍋中。 電弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為直徑為5mm的鎢電極，陽極通入循環(huán)冷卻 水。將直流電弧放電裝置的反應(yīng)室抽成真空(小于5pa)，然后充入氮氣和氨氣 的混合氣體(純度99.999%)至20kPa。氨氣在混合氣體中的體積比例為21%。 在電壓為15 V，電流為80 A下反應(yīng)10分鐘后，在陽極銅鍋和Al塊上收集到 白色的粉末為A1N單邊和雙邊納米梳。
從樣品的掃描電鏡照片圖7可以看出，納米線的直徑約為70 100nm，長度 約為l 3pm，樣品的產(chǎn)量是很高的。
實施例5制備A1N雙邊與單邊相混納米梳的全過程。
首先將高純A1塊(純度99.999%)放入直流電弧放電裝置反應(yīng)室的銅鍋中。
7電弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為直徑為8mm的鎢電極，陽極通入循環(huán)冷卻 水。將直流電弧放電裝置的反應(yīng)室抽成真空(小于5pa)，然后充入氮氣和氨氣 的混合氣體(純度99.999%)至50kPa。氨氣在混合氣體中的體積比例為24%。 在電壓為35V，電流為120 A下反應(yīng)100分鐘后，在陽極銅鍋和A1塊上收集 到白色的粉末為A1N單邊和雙邊納米梳。
從樣品的掃描電鏡照片圖8可以看出，納米線的直徑約為80 120nm，長度 約為l 4pm，樣品的產(chǎn)量是很高的。
權(quán)利要求
1、一種氮化鋁納米梳，其特征是，由納米線陣列形成的雙邊梳狀結(jié)構(gòu)，在中間主干兩側(cè)生長有納米線；納米線由六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的AlN構(gòu)成；納米線的直徑為70～100nm，長度為1～2μm。
2、 一種權(quán)利要求1的氮化鋁納米梳的制備方法，其特征是，以鋁塊、氮氣 和氨氣的混合氣體為原料，混合氣體中按體積比氮氣氨氣=70 75 : 25 30;電 弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為鎢電極，制備過程中銅鍋陽極通循環(huán)冷卻水； 將鋁塊放入直流電弧放電裝置反應(yīng)室內(nèi)的銅鍋中，反應(yīng)室抽真空，在氣壓小于 5Pa后，通過氣體流量計控制氮氣和氨氣體積比例充入混合氣體，使反應(yīng)室內(nèi)氣 壓為20 50kPa;在電壓為15 40V，電流為80 120 A條件下反應(yīng)10 100分鐘； 在銅鍋和Al塊上收集到白色的粉末為A1N雙邊納米梳。
3、 按照權(quán)利要求2所述的氮化鋁納米梳的制備方法，其特征是，鋁塊、氮 氣和氨氣的純度為99.99%或99.999%。
4、 一種氮化鋁納米梳，其特征是，有納米線陣列形成的雙邊梳狀結(jié)構(gòu)，在 中間主干兩側(cè)生長有納米線，和納米線陣列形成的單邊梳狀結(jié)構(gòu)，在中間主千一 側(cè)生長有納米線，二者組成氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳；其中單邊和雙邊納米 梳都是由六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的A1N構(gòu)成。
5、 一種權(quán)利要求4的氮化鋁納米梳的制備方法，其特征是，以鋁塊、氮氣和 氨氣的混合氣體為原料，混合氣體中按體積比氮氣氨氣=76 79 : 21 '24;電弧 放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為鎢電極，制備過程中銅鍋陽極通循環(huán)冷卻水；將 鋁塊放入直流電弧放電裝置反應(yīng)室內(nèi)的銅鍋中，反應(yīng)室抽真空，在氣壓小于5Pa 后，通過氣體流量計控制氮氣和氨氣體積比例充入混合氣體，使反應(yīng)室內(nèi)氣壓為 20 50kPa;在電壓為15 35V，電流為80 120 A條件下反應(yīng)10 100分鐘；在 銅鍋和Al塊上收集到白色的粉末為氮化鋁雙邊與單邊相混納米梳。
6、 按照權(quán)利要求5所述的氮化鋁納米梳的制備方法，其特征是，鋁塊、氮 氣和氨氣的純度為99.99%或99.999%。全文摘要
本發(fā)明的一種氮化鋁納米梳及其制備方法屬于納米材料及其制備的技術(shù)領(lǐng)域。氮化鋁納米梳是納米線陣列形成的雙邊梳狀結(jié)構(gòu)，或是雙邊梳狀結(jié)構(gòu)與單邊梳狀結(jié)構(gòu)相混的納米梳；納米線由六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的AlN構(gòu)成；納米線的直徑一般約為50～80nm，長度約1～1.5μm。制備方法是采用直流電弧放電裝置，在高溫低壓系統(tǒng)條件下，使金屬鋁直接與氮氣和氨氣的混合氣體發(fā)生反應(yīng)，制備出白色的納米梳樣品。本發(fā)明首次合成出純度高排列較均勻的AlN納米梳結(jié)構(gòu)；制備方法簡單，重復(fù)性好，時間短，成本低，對環(huán)境友好；將會在激光干涉/耦合、納米激光器陣列、納米機(jī)電系統(tǒng)等方面有應(yīng)用前景。
文檔編號C01B21/00GK101513996SQ200910066670
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者丹 劉, 崔啟良, 劍 張, 罡 梁, 王秋實, 類偉巍, 詹寶慶, 健 郝, 金云霞, 陳曉輝 申請人:吉林大學(xué)