[发明专利]一种超声辅助的纳米薄膜制备装置及制备方法

说明书

本发明公开了一种超声辅助的纳米薄膜制备装置及制备方法，制备装置包括压电换能单元、储存纳米材料悬浊液的储液凹槽和衬底，所述压电换能单元底部设有四维调节平台，所述四维调节平台使所述压电换能单元作X轴、Y轴和Z轴方向移动以及绕Z轴旋转；所述储液凹槽通过粘结层与压电换能单元的辐射面进行连接，并固化为一个整体。本发明不需要提供特殊气氛范围，设备工艺简单，在成膜过程中依靠压电换能单元辐射面与衬底之间的超声场所产生声辐射力和声学流等非线性效应，并借助声辐射力和声空化作用等将纳米材料沉积吸附于衬底表面，衬底经过溶剂的蒸发，溶质热分解等反应过程，最终在衬底上形成固体纳米薄膜。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种超声辅助的纳米薄膜制备装置及制备方法。

背景技术

纳米薄膜是指由尺寸为纳米数量级(1～100nm)的组元连接生长于基体所形成的薄膜材料，包括纳米尺寸量级的敏感功能材料(如半导体材料、导电聚合物等)构成的薄膜，将纳米晶粒镶嵌于薄膜之中构成的复合薄膜，以及每层厚度在纳米量级的单层膜或多层复合薄膜等，其组元一般为1～100nm的零维或一维纳米材料。由于纳米材料在其薄膜化过程的特殊性而出现的特异性结构和形状效应，它的载流子运输行为、机械性能、磁性、光学和热学性质均发生了较大的改变。纳米敏感薄膜的性能强烈依赖于组元的粒径、膜厚、表面形貌及内部结构等。同传统宏观尺寸的薄膜相比，纳米敏感薄膜具有超电导、巨霍尔效应、可见光区发射等独特性能。现有的纳米敏感薄膜制备方法主要分为物理方法(真空蒸发法、溅射沉积法等)和化学方法(化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、电化学法等)。

在现有的纳米敏感薄膜制作过程中，传统的物理和化学制备方法对敏感纳米材料的沉积或生长环境(高温或特殊气氛环境)有极为苛刻的要求，存在设备工艺复杂、能耗高、耗时长等缺点；同时，在制备过程中纳米薄膜的厚度较难控制。较高的生产成本和复杂的制备工艺限制了纳米敏感薄膜技术的推广。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种超声辅助的纳米薄膜制备装置及制备方法，该制备工艺简单、能耗低且制备过程中纳米薄膜的厚度易于控制。

技术方案：本发明一种超声辅助的纳米薄膜制备装置，包括压电换能单元、储存纳米材料悬浊液的储液凹槽和衬底，所述压电换能单元底部设有四维调节平台，所述四维调节平台使所述压电换能单元作X轴、Y轴和Z轴方向移动以及绕Z轴旋转；所述储液凹槽通过粘结层与压电换能单元的辐射面进行连接，并固化为一个整体；所述衬底通过支架固定于储液凹槽内且位于储液凹槽内纳米材料悬浊液的液面以下或恰好与纳米材料悬浊液液面浸润接触，所述衬底与储液凹槽的底面保持一定距离且所述衬底与储液凹槽无接触。

进一步的，所述四维调节平台设置在水平工作台上，所述衬底与水平工作台的水平面平行且衬底与压电换能单元的辐射面平行。

进一步的，所述支架与衬底固定并调节所述衬底升降。

进一步的，所述储液凹槽内部结构为圆柱体、长方体或半球体中的一种。

进一步的，所述压电换能单元采用单层压电片、压电叠堆或夹心式超声换能器中的一种。

本发明还提供了一种超声辅助的纳米薄膜制备方法，包括如下步骤：

(1)配置一定浓度的纳米材料悬浊液，将其倒入储液凹槽中；

(2)将衬底设于所述储液凹槽内，且衬底与储液凹槽无接触，调整衬底位置，使衬底位于储液凹槽内纳米材料悬浊液的液面以下或恰好与纳米材料悬浊液液面浸润接触；

(3)开启压电换能单元，调整共振频率为10～100kHz之间，设定反应时间为1～2小时，使储液凹槽的内表面与衬底之间产生超声场，储液凹槽内的纳米材料会在超声场作用下均匀沉积吸附于衬底表面；

(4)关闭装置，将衬底移出储液凹槽，再将衬底经过溶剂蒸发和溶质热分解处理，最终在衬底上形成固体纳米材料薄膜。