观察电化学法生长纳米材料的装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种观察电化学法生长纳米材料的装置及其控制方法。装置包括置于电解液(11)中的与电位仪(1)电连接的阳极(3)和阴极衬底(9)，特别是阴极衬底(9)经连线(4)与步进电机(6)连接，步进电机(6)的输入端与控制器(8)的输出端电连接；方法为根据需观察的电化学生长的对象，设定步进电机(6)的转速和转动的时间，设定电化学反应的电流为恒定电流，按设定的步进电机(6)的转速和转动的时间，以及电化学反应的电流，控制步进电机(6)运行，进行电化学反应。它仅在原位就观测到了利用电化学法生长贵金属和氧化锌纳米结构的全过程，可广泛地用于其他体系的电沉积和无电沉积中，为研究材料的生长机理提供可靠的依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种观察装置及控制方法，尤其是一种观察电化学法生长纳米材料的装置及其控制方法。

背景技术

贵金属具有很好的生物相容性，对蛋白质有着很强的吸附功能，在生物医学、诊断等方面得到了广泛的应用。氧化锌是一种新型的II～VI族直接宽带隙化合物半导体材料，具有优异的光学和电学特性，可用于光通信网络、光电显示、光电储存、光电转化和光电探测等领域。研究证实，当贵金属和氧化锌的尺寸为纳米级时，其功能和特性将有较大的变化和很大的提升。为此，贵金属之一的银纳米结构和氧化锌纳米结构的科学研究一直是目前的热点。

在研究用不同的合成方法生长纳米片的机理时，往往需要观察纳米结构的生长过程，即观察不同反应阶段产物的形貌。为了达到这一目的，通常采用的方法为观察不同反应时间下的样品的形貌。很显然，这种方法不可避免地存在着以下的缺陷，一是需要通过多步骤来完成；二是每一步试验的条件很难做到完全的一致。

虽也有使用阴极可以移动的装置，如在2002年12月4日公开的中国发明专利申请公开说明书CN 1382833A中披露的“一种挂具旋转的电镀方法”。但其目的却仅是为了提供一种使常规的挂镀也具有滚镀的优点，来提高沉积速度，消除镀层的毛刺麻点、针孔，保证镀层厚薄均匀，特别是保证纳米复合镀层中微粉的含量及均匀分布。它的构成为将挂置工件的工件框与转动机构相连接。电镀时，使工件框在镀槽内按顺时方向或反时方向作由上而下的旋转。尽管如此，这种电镀方法仍未能解决在衬底上生长纳米材料并观察所生成的纳米材料这一难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，提供一种结构简单、实用，使用方便的观察电化学法生长纳米材料的装置。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种观察电化学法生长纳米材料的装置的控制方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：观察电化学法生长纳米材料的装置包括置于电解液中的阳极和阴极衬底，以及与所述阳极和阴极衬底电连接的电位仪，特别是所述阴极衬底经连线与步进电机连接，所述步进电机的输入端与控制器的输出端电连接。

作为观察电化学法生长纳米材料的装置的进一步改进，所述的阴极衬底的上方置有滑轮，连线与滑轮绕接；所述的连线的一端与步进电机轴绕接；所述的阳极为石墨片，阴极衬底为涂有银子晶的氧化铟锡(ITO)玻璃；所述的阳极为锌片，阴极衬底为硅片。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：观察电化学法生长纳米材料的装置的控制方法包含以下步骤：根据需观察的电化学生长的对象，设定阴极衬底的提拉速率和提拉的时间，即步进电机的转速和转动的时间；设定电化学反应的电流为恒定电流；按设定的步进电机的转速和转动的时间，以及电化学反应的电流，控制步进电机运行，进行电化学反应。

作为观察电化学法生长纳米材料的装置的控制方法的进一步改进，所述的需观察的电化学生长的对象为二维银纳米结构时，阴极衬底的提拉速率为0.8193μm/s，提拉的时间为5h；所述的恒定电流的电流密度为6μA/cm²；所述的需观察的电化学生长的对象为氧化锌纳米结构时，阴极衬底的提拉速率为1.6386μm/s，提拉的时间为2.5h；所述的恒定电流的电流密度为0.6mA/cm²。

相对于现有技术的有益效果是，其一，采用将阴极衬底通过连线与步进电机连接，步进电机的输入端与控制器的输出端电连接的结构，通过对步进电机转速的精确控制，仅在原位就观测到了利用电化学法生长贵金属和氧化锌纳米结构的全过程。这种在同一衬底上连续记载着的不同反应时间所生成的纳米结构形貌的变化，对于出现生长拐点的纳米材料来说，显得尤为重要，由其可观察到量变-质变的变化过程。它既在保证试验条件一致性的前提下，为所生成的纳米材料的生长机理提供了直观的强有力的可靠依据，又节约了大量的时间，还有着结构简单、使用方便的特点；其二，控制方法简便、实用，易于推广使用；其三，装置和方法可应用于其他体系的电沉积和无电沉积中，为研究纳米材料的生长机理提供可靠的依据。

作为有益效果的进一步体现，一是阴极衬底的上方优选置有滑轮，连线与滑轮绕接后与步进电机轴绕接，使装置的整体结构更加合理、实用；二是阳极优选为石墨片时，阴极衬底优选为涂有银子晶的氧化铟锡玻璃，阳极优选为锌片时，阴极衬底优选为硅片，使所需生长的纳米结构极易于在阴极衬底上生成；三是需观察的电化学生长的对象为二维银纳米结构时，阴极衬底的提拉速率优选为0.8193μm/s、提拉的时间优选为5h、恒定电流的电流密度为6μA/cm²，需观察的电化学生长的对象为氧化锌纳米结构时，阴极衬底的提拉速率优选为1.6386μm/s、提拉的时间为优选2.5h、恒定电流的电流密度优选为0.6mA/cm²，均确保了衬底上生成的贵金属银纳米结构和氧化锌纳米结构的形貌变化的分辨率和完整性达到了清楚、完全的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是本发明中装置的一种基本结构示意图；

图2是对采用本发明的装置和方法制得的实施例1的样品使用Sirion200型扫描电子显微镜(SEM)进行观测后摄得的样品不同区域的SEM照片。其中，图2a为样品顶部的SEM照片，图2b为样品中上部的SEM照片，图2c为样品中下部的SEM照片，图2d为样品底部的SEM照片；

图3是对采用本发明的装置和方法制得的实施例2的样品使用Sirion200型扫描电子显微镜(SEM)进行观测后摄得的样品不同区域的SEM照片。其中，图3a为样品顶部的SEM照片，图3b为样品中部的SEM照片，图3c为样品底部的SEM照片。

具体实施方式

参见图1，观察电化学法生长纳米材料的装置的构成为，电解槽2中置有电解液11，电位仪1输出端的正、负极经导线10分别与置于电解液11中的阳极3和阴极衬底9电连接。阴极衬底9经连线4与步进电机6连接，步进电机6的输入端与控制器8的输出端电连接；其中，连线4的连接方式为，其一端与阴极衬底9相连接、中部与置于阴极衬底9上方的滑轮5相绕接、另一端与步进电机轴7相绕接。

下面结合两个实施例对观察电化学法生长纳米材料的装置的控制方法作进一步的详述：

实施例1

本实施例为使用电化学法生长二维银纳米结构。其选用的电解液11为银电解液，阳极3为石墨片，阴极衬底9为尺寸(长×宽)为2cm×0.5cm的涂有银子晶的氧化铟锡(ITO)玻璃，其中，ITO玻璃浸入银电解液的深度为1cm。设定的阴极衬底9的提拉速率为0.8193μm/s，提拉的时间为5h，电化学反应的恒定电流的电流密度为6μA/cm²。然后，按设定的提拉速率和提拉的时间，以及电化学反应的电流，控制步进电机6运行，进行电化学反应。5h后，阴极衬底9完全脱离银电解液。先取下阴极衬底9，用去离子水洗涤1～2次，以除去表面的银电解液，再用氮气吹干，即可在同一个阴极衬底9上获得形貌连续变化的样品。现取样品的4个代表性的区域，即样品的顶部、中上部、中下部和底部使用SEM来进行形貌的表征，得到样品顶部的SEM照片图2a、样品中上部的SEM照片图2b、样品中下部的SEM照片图2c和样品底部的SEM照片图2d。由图2a可看到，阴极衬底9上只有少量的银纳米片，大部分为银颗粒；由图2b可看到，银颗粒几乎全部生长成了银纳米片；由图2c可看到，银纳米片的尺寸进一步长大，但是不均匀；由图2d可看出，银纳米片的密度更大，尺寸分布得更加均匀。

实施例2

本实施例为使用电化学法生长氧化锌纳米结构。其选用的电解液11为氧化锌电解液，阳极3为锌片，阴极衬底9为尺寸(长×宽)为2cm×0.8cm的硅片，其中，硅片浸入氧化锌电解液的深度为1cm。设定的阴极衬底9的提拉速率为1.6386μm/s，提拉的时间为2.5h，电化学反应的恒定电流的电流密度为0.6mA/cm²。然后，按设定的提拉速率和提拉的时间，以及电化学反应的电流，控制步进电机6运行，进行电化学反应。2.5h后，阴极衬底9完全脱离氧化锌电解液。先取下阴极衬底9，用去离子水洗涤1～2次，以除去表面的氧化锌电解液，再用氮气吹干，即可在同一个阴极衬底9上获得形貌连续变化的样品。现取样品的3个代表性的区域，即样品的顶部、中部和底部使用SEM来进行形貌的表征，得到样品顶部的SEM照片图3a、样品中部的SEM照片图3b和样品底部的SEM照片图3d。由图3a可看到，样品的表面比较粗糙，每一个支的长度为几百个纳米；由图3b可看到，样品的表面变得比较光滑，支与支之间已经能够完全分离，每一个支的长度在1.5μm左右；由图3c可看到，样品的每一个支更加光滑，并且在顶部呈现出了类似层状的结构。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的观察电化学法生长纳米材料的装置及其控制方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。