面积为平方厘米量级的单晶银纳米线阵列制备方法

摘要

一种制备面积为平方厘米量级的单晶银纳米线阵列的方法，属于纳米材料制备技术领域。该方法以玻璃为基底，首先在玻璃基底两端同时沉积两片Ag膜作为阴极和阳极，其Ag膜厚度为微米量级，再沉积RbAg4I5银离子导电膜，使得银离子导电膜覆盖阴极和阳极以及它们之间的空隙；然后在阴极和阳极之间施加恒定电流，使通过银离子导电膜的离子流密度为恒定值。该方法可制备出面积为平方厘米尺度的银纳米线阵列，所得的纳米线排列方向十分规则，晶体结构为面心立方结构；具有方法操作简单，条件容易控制，易从基底上剥离等特点。所制备的银纳米线阵列可作为器件直接应用于光学和电子学等领域中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种面积为平方厘米量级的单晶银纳米线阵列及其制备方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

关于银纳米线阵列制备已有多篇文献，但归纳起来这些银纳米线阵列多是用模板法制备出来的，见文献G.Sauer，G.Brehm，S.Schneider，and et al.，J.Appl.Phys.，91(2002)3243-3247；“Y.T.Pang，G.W.Meng，W.J.Shan，and et al.，Appl.Phys.A，77(2003)717-720”；“Z.A Hu，T.Xu，R.J Liu，and et al.，Materials Science and EngineeringA，371(2004)236-240”。也有文献报道将银纳米线用人工排列得到纳米线阵列，如文献“A.Tao，F.Kim，C.Hess，and et al.，Nano Lett，3(2003)1229-1233”。还有文献报道在液态条件下用非模板的化学还原方法制备银纳米线阵列，如文献“D.B Zhang，L.M Qi，J.HYang，and et al.，Chem.Mater.，16(2004)872-876]。但关于不使用模板在固态条件下直接制备得到平方厘米量级的银纳米线阵列的技术未见报道。本申请人曾在申请号为：03104878.1，名称为“全固态环境下制备金属纳米结构材料的方法及装置”及申请号为03104876.5，名称为“一种制备纯银单晶纳米线的方法及装置”的发明专利中对银单晶纳米线的制备方法及装置进行了说明。该技术以恒定场强为纳米线生长的控制条件，而在纳米线生长的过程中两电极间距会发生变化，因此在实际制备过程中很难长时间保持恒定场强的条件，所以不利于制备出大面积的银单晶纳米线阵列；同时由于该技术采用氯化钠为基底，基底有缺陷易潮解，影响纳米线生长的形貌和质量；而且所制备的纳米线不易从基底分离，难于在工业上直接应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备面积为平方厘米量级的单晶银纳米线阵列的方法，该方法可以制备出平方厘米尺度的银纳米线阵列，且容易从基底上剥离，并可作为宏观的器件直接应用于光学和电子学等领域中。

本发明的技术方案如下：

一种制备面积为平方厘米量级的单晶银纳米线阵列的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

(1)以玻璃为基底，在其两端同时沉积厚度为微米量级的Ag膜分别作为阴极和阳极；

(2)然后再沉积RbAg₄I₅银离子导电膜，使得RbAg₄I₅银离子导电膜覆盖阴极和阳极以及它们之间的空隙；

(3)将阴极和阳极分别与直流恒流电源的负极和正极相连接，在阴极和阳极之间施加恒定电流，使通过银离子导电薄膜的离子流密度为恒定值，其值控制在60～80毫安/平方厘米之间。

本发明所述的基底采用面积为平方厘米量级的玻璃基底；基底两端沉积的Ag膜厚度为微米量级；所述基底上的银离子导电薄膜膜厚在百纳米量级。

本发明提供了一种面积为平方厘米量级的单晶银纳米线阵列及其制备方法，用这种方法可以在全固态环境和低真空条件下，无需任何模板，通过控制流过银离子导电薄膜RbAg₄I₅的离子流密度来制备面积为平方厘米尺度的银纳米线阵列。用该方法制备所得的纳米线排列方向十分规则，晶体结构为面心立方结构；具有方法操作简单，条件容易控制，易从基底上剥离等特点。所制备的银纳米线阵列可作为宏观尺度的器件直接应用于光学和电子学等领域中。

附图说明

图1为制备银纳米线阵列的实验装置示意图。

图2为阴极边缘长出的银纳米线阵列照片。

图3、图4为阴极边缘长出的银纳米线阵列扫描电镜图像。

图5为阴极边缘长出的银纳米线阵列中的某一单根线的透射电镜图像。

图6为阴极边缘长出的银纳米线阵列中的某一单根线的透射电镜选区衍射花样。

图7为银纳米线阵列的透射电镜能量散射谱-EDS的分析结果。

图1中：1-玻璃基底；2-阴极(Ag膜)；3-阳极(Ag膜)；4-银离子导电薄膜(RbAg₄I₅)；

5-直流恒流电源。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提供的面积为平方厘米量级的单晶银纳米线阵列的制备方法及其机理。

图1为制备银纳米线阵列的实验装置示意图。先在干净的玻璃基底1两端同时沉积两片Ag膜作为阴极2和阳极3，其Ag膜厚度为微米量级，然后再沉积RbAg₄I₅银离子导电膜4，膜厚一般为百纳米左右，使得RbAg₄I₅银离子导电膜覆盖阴极和阳极以及它们之间的空隙，最后使阴极和阳极分别与直流恒流电源5的负极和正极相连接。这样，在直流电场作用下，阳极Ag膜中的Ag原子失去电子变成Ag+离子，沿着电场方向穿过RbAg₄I₅银离子导电膜向阴极移动，到达阴极附近的Ag+离子会得到电子，被还原成Ag原子，并在阴极附近聚集形成晶核，随后而至的Ag+离子被还原后继续在核上不断堆积，渐渐长大，从而形成银纳米线阵列。由于玻璃基底的宽度为厘米量级，而恒定的离子流密度使得银纳米线阵列可以均匀、稳定地生长，从而可以制备出面积为平方厘米量级，排列方向十分规则的银纳米线阵列。大量实验结果表明：相同实验条件下，离子流传输的时间越长，纳米线阵列的长度越长。

为得到单晶银纳米线阵列，在两极间施加恒定的直流电流，离子流密度应控制在60～80毫安每平方厘米之间。

关于RbAg₄I₅银离子导电膜制备技术[见文献V.K.Miloslavsky，O.N.Yunakova andJ.L.Sun.Exciton spectrum in superionic RbAg₄I₅ conductor，Funct.Mater.，1(1994)51-55”；“Y.Cao，J.L.Sun，G.S.Zhang，J.H.Guo，Z.P.Wang，Absorption spectra and ionicconductivity of RbxCs_1-xAg₄I₅superionic conductors thin films Chin.Phys.Lett，22(2005)239-242]。

实施例1：

先在干净且干燥的玻璃基底上(2厘米×5厘米)同时沉积两片厚度为2微米的Ag膜作为阴极和阳极(极间距为1厘米)，然后再沉积RbAg₄I₅银离子导电膜(膜厚100纳米左右)，确保RbAg₄I₅银离子导电膜覆盖两端的Ag膜电极以及它们之间的空隙，最后使阴极和阳极的Ag膜分别与直流恒流电源的负极和正极相连接(如图1所示)。

使通过银离子导电膜的离子流密度为恒定值，其值控制在60毫安/平方厘米，通电时间70小时，得到银单晶纳米线阵列长度和宽度均达1厘米左右，且纳米线彼此相互平行排列(如图2、3所示)。

实施例2：

我们先在干净且干燥的玻璃基底上(1.5厘米×7厘米)同时沉积两片厚度为1.5微米的Ag膜作为阴极和阳极(极间距为1.5厘米)，然后再沉积RbAg₄I₅银离子导电膜(膜厚120纳米左右)，确保RbAg₄I₅银离子导电膜覆盖两端的Ag膜电极以及它们之间的空隙，最后使阴极和阳极的Ag膜分别与直流恒流电源的负极和正极相连接(如图1所示)。

使通过银离子导电膜的离子流密度为恒定值，其值控制在80毫安/平方厘米，通电时间50小时，得到银单晶纳米线阵列扫描电镜图像如图4所示。

为确定阵列中纳米线的晶体结构，选取纳米线阵列内任一单根纳米线(如图5所示)做透射电子显微镜的选区衍射分析，衍射图样(图6)表明：所得的单晶纳米线阵列中的纳米线为面心立方结构。为确定纳米线阵列中所含化学元素，我们对阵列做了透射电子显微镜的能量散射谱-EDS的分析(图7)，结果表明纳米线阵列中只含有银元素。