[发明专利]一种微纳米材料及其制备方法、装置、应用

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米材料制备领域，特别涉及一种微纳米材料制备方法、制备装置、制备的微纳米材料和该微纳米材料的应用。

背景技术

纳米材料是指尺寸范围为1～100nm的材料。微纳米材料即尺度在10^-910^-6m范围的材料。粒径小于100nm以后，离子的表面原子数与其体内原子数可比。这种性质导致了纳米材料出现了不同于传统体相材料的小尺寸、大表面和量子隧道等效应所引发的结构和能态的变化，产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特性。例如纳米铁具有磁性、原来不导电的材料具有了导电、强的催化活性等。这些特殊性能使其在光电子、微电子、纳电子器件制备、高性能催化剂、生物领域有着广泛的应用前景。

目前，微纳米材料制备方法主要包括物理方法和化学方法，其中物理方法主要包括脉冲激光沉积法、蒸发冷凝法、分子束外延法（MBE）、机械球磨法等，而化学方法主要包括化学气相沉积、液相沉淀法、溶胶-凝胶法、L-B膜法、自组装单层分子和表面图案法、水热/溶剂热法、喷雾热解法以及电化学法等等。

在液相中脉冲激光烧蚀法作为一种新型纳米制备技术已经在诸如新材料、新能源、环境、医学等领域的纳米材料制备和功能纳米结构组装方面发挥着越来越大的作用。液相中脉冲激光烧蚀反应作为一种用于制备微纳米材料和纳米结构制备的技术，它具有在一定范围内可控、反应氛围杂质含量极少等特点。其主要原理是脉冲激光聚焦在液体中的固体反应靶表面，使反应靶表面产生高温并熔融，从而在液-固界面中产生等离子体羽辉；等离子体羽辉受到液体的限制产生一个高温高压区，该区域为一些化学反应的发生提供必要的条件，如烧蚀物之间的反应、烧蚀物与液体之间的反应等；随着一个激光脉冲能量的结束，等离子体羽冷却，从而在液体中形成微纳颗粒。

磁场是一种无接触的物理场，粒子受到这种物理场的作用可能会发生取向形成有序结构，从而赋予材料新的光、电、磁等特性。目前尚未发现利用磁场辅助脉冲激光烧蚀在液体环境中制备微纳米材料的方法和装置。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种制备微纳米材料的方法，该方法是利用磁场辅助脉冲激光液体中烧蚀制备微纳米材料，是对当前脉冲激光烧蚀制备微纳米材料的一种扩展和创新，能够通过调整靶材、磁场参数、激光参数来制备不同成分的微纳米材料。

本发明的另一个目的在于提供一种实现上述方法的制备微纳米材料的装置。该装置结构简单，易于实现。

本发明的另一个目的在于提供上述方法制备的微纳米材料。该材料是在磁场环境中生长而成，由于反应过程中整个体系能量状态发生改变，从而诱导材料生长尺度、形貌及物理化学性能发生变化。如利用上述制备方法可以使常规的磁性材料发生取向排列生长从而使其磁学性能发生部分或者彻底改变。该微纳米材料在磁学、医学、生物领域具有广阔的应用前景。

本发明的另一个目的在于提供上述制备的微纳米材料在磁学、医学、生物领域的应用。

本发明一种制备微纳米材料的方法，基于液相中脉冲激光烧蚀法，在反应容器外围加设磁场，制备时同时开启磁场和激光光源。

具体包括以下步骤：

（1）将反应靶置于反应容器中，然后在反应容器中注入液相物质，液相物质浸没反应靶；在反应容器外围设有计算机程序可控的磁场装置；

（2）调节脉冲激光光束的光路，使激光光束依次经过全反射镜和聚焦透镜后聚焦在反应靶与液相物质的接触表面，接触表面产生等离子体羽；

（3）开启磁场，然后开启脉冲激光，使靶材在外磁场作用的同时，在激光的作用下进行液体环境中脉冲激光烧蚀反应；

（4）反应30～120分钟后，关闭脉冲激光，并使磁场强度降为零，然后取出反应后的液相物质，并对其进行干燥、分离，最后得到微纳米材料。

优选的，所述步骤（1）中反应靶的纯度为质量含量在99％～99.999%之间；所述反应靶为碳、硅、锗、硒、铅、铁、钴、镍、铜、锌、硼、铝、镓、铟、金、银、铂、钒、镉、锰、钛、镐、铬、钼、铌、钽或钨等金属或非金属单质靶材、合金靶材或掺杂靶材；所述反应靶的靶材直径为5~25mm，厚度为3～15毫米；所述反应靶的形状为圆形或方形，反应靶的表面进行磨平处理。

作为优选，步骤（1）中所述反应容器为玻璃容器或塑料容器；所述反应容器的形状为方形或圆形。更进一步的，所述玻璃容器优选石英玻璃容器或普通硅酸盐玻璃容器。