激光法制备碳质纳米材料.pdf

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激光法制备碳质纳米材料孙詈，胡胜亮，杜希文前言2激光与固体材料的相互作用1007—8827(2008)01啪86J09膜心引，(2)在气相中合成纳米颗粒‘35圳。激光与固1随着纳米材料和技术的发展，特别是高新技术领域如信息产业、功能涂层、防伪和生物医药等方面的发展，对纳米材料的品质提出了新的要求：(1)粒径不大于10nm，均一、单分散，能充分发挥纳米材料潜在的尺寸效应、表面效应和量子效应；(2)形状可控和多样性，同种材料除球形以外，还要有片、棒、丝和管等；(3)高纯，对光、电特性的纳米材料尤为重要；(4)分子水平的均匀包覆(核一壳结构)和掺杂。激光法制备纳米材料于20世纪80年代问世以来，其产品品质能很好地适应纳米材料的新要求。随着紫外光、可见光、红外及可调频率激光器的商业化和结构的简化，极大地扩展了激光法对气体、液体和固体物的选择范围，降低了激光法成本、提高了粉产率，改变了人们对激光法初期“设备贵、工艺复杂、产率低、成本高”的认识，在纳米材料的市场上表现出很高的性能／价格比，地位日显重要¨J。根据介质的不同，激光法制备碳基纳米材料分为两类：一类是在气相或真空中，如激光法沉积金刚石薄膜(或类金刚石薄膜)和激光蒸发制备纳米碳管口’1纠；另一类是在液相中，如激光冲蚀液面下的碳靶或炭颗粒制备纳米金刚石¨}16]。在气相中，激光作用到固体靶上会形成一个气固界面；而在液相中，激光与浸没在液面下的固体靶相互作用情况要复杂得多。近年来，人们用各种技术手段对激光照射液体中同体靶的物理化学现象进行研究，并取得了很大进展Ⅲ洲，总结这些研究成果将有助于理解和应用激光与炭材料乃至其他材料相互作用的物理化学过程。为此，笔者通过分析激光在不同介质与固体材料相互作用的基本物理化学现象，评述了激光法制备碳基纳米材料的研究现状及存在的问题。2．1气相介质从20世纪60年代用红宝石激光冲蚀固体靶开始，激光技术在材料制备中得到了广泛的应用，其中具有代表性的方法有两种：(1)激光沉积法制备薄体靶相互作用会在靶上形成一个固一气界面：而激光照射获得的产物主要来自于同一气界面里的气相凝聚。所以激光冲蚀固体靶一般存在三个过程：固一气界面的形成、发展和消失，这对材料的合成起着重要作用。图l是这三个过程示意图”8|。一般用于合成纳米材料的脉冲激光脉宽不小于纳秒。因为超短脉冲激光(如皮秒和飞秒激光)与通讯作者：杜希文，E-mil：[e-mail]第23卷第l期2008年3月新型炭材料NEW文章编号：摘要：通过介绍在气体和液体介质中激光与固体材料相互作用的过程，评述了激光在不同介质中发生物理化学现象的差异。与气相中相比，激光冲蚀液体中固体材料产生的气态等离子区受到了液体限制，在该区域会产生更高的气态密度、温度和压力，适合于亚稳相纳米晶的合成。同时评述了激光制备碳基纳米材料的进展。激光在气相和液相中均可制得碳纳米管，气相中适于制备结构完整的碳纳米管，而液相中有利于纳米金刚石的合成。激光冲蚀液体中的石墨靶制备的纳米金刚石粒径较大，辐照石墨悬浮液工艺不仅可以获得超细的纳米金刚石还可以获得线型碳。激光法制备的碳基纳米材料具有尺寸小、纯度高和形状多样性，在未来有着广泛的潜在应用价值。关键词：激光；制备；纳米材料；纳米金刚石；碳纳米管中图书分类号：文献标示：AMATERIALSMar．2008(天津大学材料科学与T程学院，天津300072)TQl27．1+l收稿日期：2007m5一13；修回日期：2008旬2之5基金项目：天津市自然基金重点项目(06YFJ刁c叭200)．作者简介：孙景(1945一)男，江苏高邮人，教授，博士生导师，主要从事超硬材料和新型炭材料的研究．E—mail：jsun@tju．酣u．cIlCARBONV01．23No．1
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l姗induccdpl踟a相互作用，使这“团”蒸气与周围气体隔离而形成一固体靶相互作用是非平衡过程，电子被激发仅需要几十电子伏特，发生光电离和等离子化过程也仅需要几十飞秒，而电子转变成离子需要的能量传递在皮秒量级就可以完成，所以晶格吸收一个超短脉冲能量后其温度才能发生变化Ⅲ‘3+脉宽大于纳秒级的激光与固体靶相互作用时热过程占主导作用㈣J，在一个脉宽里光子与电子、激子和晶格振动发生作用，使电子的能量增高导致作用在固体靶上的区域快速升温，并发生气化。气化一旦发生，蒸发的气体就会迅速扩张，与周围的气体个气态羽区。气态羽区中的温度很高，甚至会在此区域发生等离子化过程，如图la和1b所示【艄J。在气态等离子区里电子和离子相互作用加速运动和碰撞，很快达到热平衡Ⅲ’49j。因此在激光冲蚀同体靶过程中，首先形成一个气态的等离子区，然后激光穿过这一区域去冲蚀固体靶，这时激光照射有两个作用：一是光子诱发气态等离子区域中更多物质发生等离子