液相脈沖激光燒蝕法制備功能納米材料.pdf

1、材料，能源以及信息被公認為現(xiàn)代文明的三大支柱，支撐著現(xiàn)代文明的發(fā)展。新材料的發(fā)現(xiàn)與制備不斷推動著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的進步以及人們生活水平的提高。納米材料概念的提出和納米技術(shù)的發(fā)展使得材料在人類文明的發(fā)展和人們的日常生活中發(fā)揮著越來越廣泛而深遠的影響。納米材料研究中不斷涌現(xiàn)的各種新奇的現(xiàn)象充實著人類知識的寶庫。納米材料的廣泛使用使得各種科技和生活器件不斷趨向于微型化便捷化多功能化。作為一種新型簡便的制備納米材料的方法，液相脈沖激光燒蝕法已被

2、廣泛用于制備各種功能納米材料。
　　本文主要系統(tǒng)研究了液相脈沖激光燒蝕法制備多種功能納米材料的可能性。我們重點梳理并抓住了液相脈沖（主要是飛秒）激光燒蝕法的基本特點，即局部高溫高壓環(huán)境，快速冷卻，以及納米材料的同步修飾與復(fù)合。進而以此為基本的指導(dǎo)思路和依據(jù)進行實驗設(shè)計，實現(xiàn)了多種功能納米材料的制備。
　　一，亞穩(wěn)態(tài)功能納米材料的制備
　　一般亞穩(wěn)相的制備都需要在高溫高壓條件下進行，并需要快速冷卻，因此制備過程復(fù)雜，條件

3、控制嚴格。由于脈沖激光（特別是飛秒激光）的脈寬很短，峰值功率極高，脈沖的能量可以在極短的時間內(nèi)注入到材料內(nèi)部。因此，液相脈沖激光燒蝕法可以在局部區(qū)域產(chǎn)生極端高溫高壓的條件，并產(chǎn)生等離子體。在這種局部的非平衡環(huán)境中，各種化學(xué)反應(yīng)都可能發(fā)生，特別有利于產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。同時周圍液體的強烈的壓縮和冷卻作用可以使等離子體快速冷卻下來，從而使亞穩(wěn)相材料保存下來。通過控制溶液的性質(zhì)以及脈沖光源，我們實現(xiàn)了不同亞穩(wěn)態(tài)納米材料的制備。我們使用液相飛秒與納

4、秒激光燒蝕法在氨水中分別成功制備了高溫亞穩(wěn)相-立方相二氧化鋯和四方相二氧化鋯。由于飛秒激光的峰值功率要比納秒激光的高很多，所產(chǎn)生的溫度和壓強也更高。同時，等離子體的冷卻速率也更高。所以我們認為飛秒激光比納秒激光更有利于高溫相的生成和穩(wěn)定。
　　二，表面修飾納米材料的制備
　　納米材料的性質(zhì)與其表面結(jié)構(gòu)有著重要的關(guān)系。特別的，表面結(jié)構(gòu)往往決定了其在不同環(huán)境中的相容性。同時特定的表面修飾還可以控制納米材料的尺寸，提高納米材料結(jié)構(gòu)

5、和性能的穩(wěn)定性。一般制備表面修飾納米材料都需要兩步，即納米材料的制備與修飾，反應(yīng)條件控制往往較為嚴格。而在液相脈沖激光燒蝕法中，通過控制溶液的性質(zhì)，即可一步實現(xiàn)納米材料的制備與修飾。我們使用飛秒激光燒蝕法在1-己烯和丙烯酸/乙醇的混合溶液中分別制備了分散性很好的疏水性和親水性硅納米粒子。我們認為在液相飛秒激光燒蝕的極端環(huán)境中，活性很高的硅納米粒子易與溶液的中不飽和有機物（1-己烯或者丙烯酸）發(fā)生加成反應(yīng)，從而形成表明修飾。我們還發(fā)現(xiàn)，通

6、過控制溶液的性質(zhì)，不僅可以調(diào)控硅納米粒子的表面結(jié)構(gòu)與尺寸，還可以控制硅納米粒子的光學(xué)性質(zhì)。
　　三，表面修飾亞穩(wěn)態(tài)納米材料的制備
　　金剛石納米粒子（碳納米粒子的一種）具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和生物相容性，但是其制備方法迄今仍然很有限。特別是，制備尺寸在5nm以下的金剛石納米粒子仍然比較困難。金剛石屬于碳的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，所以一般需要提供較高的溫度才能形成。我們使用液相飛秒激光燒蝕法制備了金剛石納米粒子。通過調(diào)控靶材和溶液，實現(xiàn)了對金

7、剛石納米粒子的尺寸，結(jié)構(gòu)，表面性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。飛秒激光燒蝕分散在丙酮或者乙醇中的玻璃態(tài)碳、石墨粉末或者碳化甘蔗渣粉末制備出了不同尺寸，不同表面結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)的金剛石納米粒子。
　　四，自組裝納米結(jié)構(gòu)的制備
　　作為一種新型的明星納米材料，石墨烯具有獨特的二維單層碳原子層結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能。我們發(fā)現(xiàn)分散在乙醇溶液中的石墨烯經(jīng)過飛秒激光燒蝕之后，可以轉(zhuǎn)變成球狀結(jié)構(gòu)。這是第一次報道用飛秒激光誘導(dǎo)石墨烯組裝形成球。

8、通過控制飛秒激光的脈沖能量和照射時間，可以在很大范圍內(nèi)控制復(fù)合石墨烯球的尺寸。我們認為石墨烯在飛秒激光誘導(dǎo)下發(fā)生了逐層組裝，形成球狀結(jié)構(gòu)。
　　五，復(fù)合納米材料的制備
　　納米材料的復(fù)合不僅可能保留原材料的性能，還可能帶來原有性能的大幅度提升，甚至產(chǎn)生新的性能。目前已有很多制備不同復(fù)合材料的方法，但是制備含有超細納米粒子的復(fù)合物方法卻仍然不多。這主要是由于超細納米粒子容易發(fā)生團聚。我們利用飛秒激光燒蝕法一步實現(xiàn)了氧化石墨烯的