[发明专利]通过产生电火花制备纳米粒子的方法

说明书

背景技术

本发明涉及一种通过化学气相合成(CVS)制备纳米粒子的方法，所述化学气相合成包括至少一种分子前体物种的热解。 

粒子制备的CVS方法基于至少一种前体气体的热解。为了本说明书的目的，热解是指热辅助的分子的裂化(尽管其他运动学上的碰撞过程也可以发生)成为自由基，如原子和离子。化学气相合成是指由在热解期间制备的反应性物种或通过它们与未反应的气体的分子的相互作用组装成较大的单元如分子、原子簇、纳米粒子和甚至微米尺度的粒子的全部过程。此相互作用可以是直接的化学反应或通过催化活性促进化学反应。 

在这些过程中，将低浓度的其他气体包含在内可能导致将掺杂剂原子包含在纳米粒子内或合金的形成。本领域技术人员已知的由气相制备纳米粒子的过程包括激光热解、热壁反应器合成和等离子体热解。通过这样的方法合成的纳米粒子由于其作为荧光体的用途，在印刷电子学中的用途，在摩擦学、磁流体和电流变液中的用途，和在纳米复合材料中的用途而具有工业意义，并且在先进科学研究中有广泛应用。 

发明内容

根据本发明，提供了一种通过一种以上前体流体的合成而制备纳米粒子的方法，其中，至少一种这样的前体经历由电火花引发的热解或裂化以制备一种以上自由基物种。自由基物种在组成通过在流体介质中成核而形成的纳米粒子的物质的合成中起反应物或催化剂的作用。在优选的实施方案中，流体构成低压气体环境，但在绝缘液体中也可能导致产生这样的火花。在后一种情况中，液体自身可以形成前体物质或其可以包含含有前体物质的溶液。备选地，在气体环境中，可以将液体或固体前体物质作为在载气流中的粒子或液滴的气溶胶引入火花区域中。此载气可以自身包含前体物质或可以为惰性的并且不参与任何化学过程。类似地，可以将惰性气 体添加至前体气体作为稀释剂。 

更具体地，根据本发明，提供了一种通过一种以上前体流体的合成制备在1nm至1000nm大小范围内的纳米粒子的方法，所述方法包括提供包含至少一种前体流体的流体介质和在所述流体介质内产生电火花以导致所述至少一种前体流体在相对热的等离子体区中的热解，以制备至少一种自由基物种，并通过在所述等离子体区周围的较冷的反应区中的所述流体介质中成核以形成纳米粒子，其中，所述至少一种自由基物种在构成所述纳米粒子的物质的合成中起反应物或催化剂的作用。 

形成所述火花的放电可以具有0.01Hz和1kHz之间的频率，优选地具有1Hz和100Hz之间的频率。 

火花可以具有在0.01J和10J之间且优选地在0.1和1J之间的总能量。 

前体物质可以全部处于气体形式。 

备选地，前体物质中的至少一种可以处于液体形式，所述液体为纯的不导电液体或其他物质在合适的溶剂中的不导电的溶液。 

此外，备选地，前体物质中的至少一种可以平常为固体或液体，并且作为由在载气中的粒子或液滴构成的气溶胶被引入火花中。 

在所述方法的优选的实施方案中，远离火花的区域的纳米粒子的快速凝聚导致球形纳米粒子的形成。 

所述球形纳米粒子可以为单晶。 

所述纳米粒子可以形成紧密的球形或椭球形簇。 

所述纳米粒子可以聚集以形成链、支化的簇、或网络。 

所述纳米粒子可以在预先存在的纳米粒子周围成核，以制备具有核-壳结构的二元纳米粒子。 

特别地，纳米粒子可以在被注入围绕火花的介质的较冷区域中的预先存在的纳米粒子周围成核，以形成具有核-壳结构的二元纳米粒子。 

可以在距火花不同距离处引入不同的前体物质，允许具有组成梯度或核-壳结构的异质粒子的成核，其可以包含多个壳。 

纳米粒子可以包含硅。 

纳米粒子可以包含硅的化合物，包括二氧化硅、碳化硅、或氮化硅。 

纳米粒子可以包含硅的合金，包括被硼、磷、或砷掺杂的硅，以及硅-碳和硅-锗合金。 

纳米粒子可以包含聚合物。 

通过本发明的方法制备的纳米粒子包含无机半导体物质，并且具有非绝缘表面，通常用于电子和电学用途，特别用于需要半导体性质的那些用途。 

附图说明

图1为显示通过使用在图1的反应仓室中的两个电极之间产生的电火花而形成的纳米粒子的制备的示意图； 

图2为由根据本发明的方法制备的硅纳米粒子获得的的透射电子显微镜(TEM)图像； 

图3为根据本发明的方法制备的硅纳米粒子的体积分布的柱状图。 

图4为根据本发明的方法制备的硅纳米粒子的高放大率TEM图像；