纳米合金颗粒及其图案化的方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米合金颗粒及其图案化的方法。该纳米合金颗粒的冶炼方法包括以下步骤：(1.1)将多金属组分有机框架化合物均匀覆盖在基底表面，形成多金属组分有机框架化合物层；(1.2)用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于基底的纳米合金颗粒。本发明专利技术的冶炼方法具有成本低，生产效率高的优点，本发明专利技术的冶炼方法生产的纳米合金颗粒具有金属元素混合均匀，合金比例可调控，空气中化学稳定性良好等优点。本发明专利技术的图案化的方法具有生产成本低、生产效率高、生成的纳米合金颗粒稳定性好，图案可任意定制的优点，更能适应下一代基于纳米合金颗粒的微电子器件，传感器以及光电子器件等的规模化生产。

Nano alloy particles and their patterning methods

【技术实现步骤摘要】
纳米合金颗粒及其图案化的方法
本专利技术属于纳米金属颗粒材料及其器件制备领域，具体是指一种纳米合金颗粒及其图案化的方法。
技术介绍
金属与合金材料的冶炼在人类文明发展进程中发挥了举足轻重的作用。通过传统冶金工艺制备得到的合金材料大多尺寸巨大，以吨计数，而纳米合金颗粒是一种在纳米尺寸(<200nm)的金属类材料，由于其均匀尺寸、远超传统材料的比表面积，在能源、催化、光电材料等领域有着广泛的应用前景。传统的冶金技术无法制造如此微小的纳米合金颗粒。在实验室中，纳米合金颗粒主要通过“湿法化学”和“物理方法”制备。在湿法化学方法中，不同种类的金属盐溶解在溶剂中，在还原剂或外加电流的作用下发生共还原，合金颗粒，为了避免颗粒团聚长大，往往需要在体系中加入表面活性剂以稳定纳米合金颗粒。物理方法不涉及化学反应，是将大的合金靶材或几种金属靶材碎片化并在纳米尺度重组成为合金颗粒。其中包括激光烧蚀、原子气相沉积等。为避免氧化，以上方法均需要在真空，惰性气氛或者还原性气氛下进行，且其制备时间较长，所得纳米合金颗粒稳定性较差，而且在纳米合金颗粒制备中，往往涉及到不同种类金属前驱物的预先混合或实时混合，而混合的均匀程度会极大地影响所制备纳米合金颗粒中不同金属之间混合的均匀程度，进而影响纳米合金颗粒的应用性能。目前，将合金图案化的工艺有激光烧结打印(laseradditivemanufacturing)，激光诱导前向转移(laserinducedforwardtransfer，LIFT)，以及喷墨打印等工艺。这些不涉及到金属价态变化的工艺技术难以产生纳米合金颗粒，也难以实现合金颗粒的均匀排列。由于新型光电子器件，传感器，合成催化等需求，将纳米合金颗粒图案化又有着广泛的需求。目前将纳米金属或合金颗粒制备成图案的工艺主要依赖于以下两种方式。一种是基于光刻技术的工艺[Science2017,357,385-388.]，另一种是基于金属有机框架化合物的激光刻蚀工艺[J.Am.Chem.Soc.2019,141,5481-5489]。前者基于现代光刻工艺的技术，需预先在纳米金属颗粒上嫁接感光有机配体，最后通过曝光显影的方式获得所需的图案，其图案的形成也高度依赖所需的掩模，制备工艺复杂，且成本高昂。另外，由于纳米金属颗粒活性较高，空气稳定性较差，特别对于非贵纳米金属颗粒，极易在空气中氧化。后者预先制备金属前驱物，使用程序化激光扫描，最终在基底上得到纳米金属图案，但无法有效制备金属元素均匀混合的纳米合金颗粒。目前还没有可在空气环境下一步法获得高质量的纳米合金颗粒及其图案的相关技术及报导。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种纳米合金颗粒及其图案化的方法。即一种可低成本地在空气环境下通过直写方式快速制备稳定的金属元素均匀混合的纳米合金颗粒，以及该纳米合金颗粒图案化的方法。该方法成本低，效率高以及纳米合金颗粒稳定性好，图案可任意定制的优点，更能适应下一代基于纳米合金颗粒的微电子器件，传感器以及光电子器件等的规模化生产。为实现上述目的，本专利技术的方案如下：第一方面，本专利技术提供一种纳米合金颗粒，其特征在于：所述纳米合金颗粒通过以下方法冶炼得到，具体步骤如下：(1.1)将多金属组分有机框架化合物均匀覆盖在基底表面，形成多金属组分有机框架化合物层：所述多金属组分有机框架化合物中金属原子与碳原子的数目比为1:3-20；所述多金属组分有机框架化合物为多元金属有机框架化合物、负载异种金属盐的金属有机框架化合物或含有不同金属的金属有机框架化合物的混合物中的至少一种；所述多金属组分有机框架化合物的颗粒尺寸为5nm-100μm；所述多金属组分有机框架化合物的金属元素为元素周期表中从ⅢB族到Ⅷ族的过渡金属元素、从Ⅷ族到ⅡB中的过渡金属元素、从ⅢA族到ⅥA族的主族金属元素、镧系金属元素、锕系金属元素或合金元素中的至少两种；(1.2)用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于基底的纳米合金颗粒：所述纳米合金颗粒的尺寸为1-1000nm，纳米合金颗粒的间距为0.5-200nm；所述将上基底压盖于多金属组分有机框架化合物层，再用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于上基底或同时沉积于上基底和下基底的纳米合金颗粒，所述上基底由光可透射材料制成；所述光源为激光器，所述激光的辐照功率为1.5-50W，激光扫描速度为5-200mm/s。作为优选方案，根据权利要求1所述的纳米合金颗粒，其特征在于：所述步骤(1.1)中：基底包括上基底和下基底；所述上基底包括玻璃、金属、半导体、金属氧化物或聚合物薄膜材料中的一种或几种的组合；所述下基底为耐高温性材料，以避免在辐照过程中下基底被高温损坏；所述步骤(1.2)中：将所述上基底压盖于多金属组分有机框架化合物层，再用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于上基底或同时沉积于上基底和下基底的纳米合金颗粒；所述激光器选自纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器、连续激光器中的一种或几种的混合；通过控制激光器的辐照功率，控制纳米合金颗粒沉积在上基底或者下基底；当辐照功率在1.5-5W时，纳米合金颗粒可在上基底沉积；当辐照功率大于5W时，纳米合金颗粒可在上基底和下基底上同时沉积。进一步地，所述多金属组分有机框架化合物覆盖于所述下基底的表面形成多金属组分有机框架化合物层；所述多金属组分有机框架化合物层通过下述方法中的任意一种制备得到：(A)将多金属组分有机框架化合物的粉末覆盖于下基底表面；或者，(B)将多金属组分有机框架化合物涂布于下基底表面；或者，(C)在下基底表面原位生长一层多金属组分有机框架化合物层。更进一步地，所述方法(A)中，多金属组分有机框架化合物为粉末状，可以用手动或自动铺粉的方式将多金属组分有机框架化合物粉末均匀覆盖在下基底表面，厚度为100nm-1cm，形成多金属组分有机框架化合物层；所述方法(B)中，将多金属组分有机框架化合物配制成浆料，将多金属组分有机框架化合物浆料涂布在下基底表面后干燥，形成多金属组分有机框架化合物层；所述方法(C)中下基底表面原位生长一层多金属组分有机框架化合物层，可采用现有的液相化学法生长或化学气相沉积法来进行原位生长。本专利技术方案中冶炼方法制备的纳米合金颗粒沉积于上基底或上下基底，需要单独的纳米合金颗粒时，只需将生成的纳米合金颗粒从基底中刮出即可。实现本专利技术的冶炼方法的一种装置如下：由激光器、多金属组分有机框架化合物、振镜和聚光镜组成；激光器：作为提供局域高效的加热和还原热源的光源；也可采用其他光源；多金属组分有机框架化合物：作为制备纳米合金颗粒的金属源以及为金属的还原提供还原剂；基底：用于承载多金属组分有机框架化合物，为制得的纳米合金颗粒的沉积提供载体；振镜：可对激光的方向进行精确调控，实现激光扫描过程中的纳米合金颗粒的精准沉积；所述振镜包括各类本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米合金颗粒，其特征在于：所述纳米合金颗粒通过以下方法冶炼得到，具体步骤如下：/n(1.1)将多金属组分有机框架化合物均匀覆盖在基底表面，形成多金属组分有机框架化合物层：/n所述多金属组分有机框架化合物中金属原子与碳原子的数目比为1:3-20；/n所述多金属组分有机框架化合物为多元金属有机框架化合物、负载异种金属盐的金属有机框架化合物或含有不同金属的金属有机框架化合物的混合物中的至少一种；/n所述多金属组分有机框架化合物的颗粒尺寸为5nm-100μm；/n所述多金属组分有机框架化合物的金属元素为元素周期表中从ⅢB族到Ⅷ族的过渡金属元素、从Ⅷ族到ⅡB中的过渡金属元素、从ⅢA族到ⅥA族的主族金属元素、镧系金属元素、锕系金属元素或合金元素中的至少两种；/n(1.2)用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于基底的纳米合金颗粒：/n所述纳米合金颗粒的尺寸为1-1000nm，纳米合金颗粒的间距为0.5-200nm；/n所述将上基底压盖于多金属组分有机框架化合物层，再用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于上基底或同时沉积于上基底和下基底的纳米合金颗粒，所述上基底由光可透射材料制成；/n所述光源为激光器，所述激光的辐照功率为1.5-50W，激光扫描速度为5-200mm/s。/n...

【技术特征摘要】
1.一种纳米合金颗粒，其特征在于：所述纳米合金颗粒通过以下方法冶炼得到，具体步骤如下：
(1.1)将多金属组分有机框架化合物均匀覆盖在基底表面，形成多金属组分有机框架化合物层：
所述多金属组分有机框架化合物中金属原子与碳原子的数目比为1:3-20；
所述多金属组分有机框架化合物为多元金属有机框架化合物、负载异种金属盐的金属有机框架化合物或含有不同金属的金属有机框架化合物的混合物中的至少一种；
所述多金属组分有机框架化合物的颗粒尺寸为5nm-100μm；
所述多金属组分有机框架化合物的金属元素为元素周期表中从ⅢB族到Ⅷ族的过渡金属元素、从Ⅷ族到ⅡB中的过渡金属元素、从ⅢA族到ⅥA族的主族金属元素、镧系金属元素、锕系金属元素或合金元素中的至少两种；
(1.2)用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于基底的纳米合金颗粒：
所述纳米合金颗粒的尺寸为1-1000nm，纳米合金颗粒的间距为0.5-200nm；
所述将上基底压盖于多金属组分有机框架化合物层，再用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于上基底或同时沉积于上基底和下基底的纳米合金颗粒，所述上基底由光可透射材料制成；
所述光源为激光器，所述激光的辐照功率为1.5-50W，激光扫描速度为5-200mm/s。


2.根据权利要求1所述的纳米合金颗粒，其特征在于：
所述步骤(1.1)中：
基底包括上基底和下基底；所述上基底包括玻璃、金属、半导体、金属氧化物或聚合物薄膜材料中的一种或几种的组合；所述下基底为耐高温性材料，以避免在辐照过程中下基底被高温损坏；
所述步骤(1.2)中：
将所述上基底压盖于多金属组分有机框架化合物层，再用光源辐照多金属组分有机框架化合物层，制得沉积于上基底或同时沉积于上基底和下基底的纳米合金颗粒；
所述激光器选自纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器、连续激光器中的一种或几种的混合；通过控制激光器的辐照功率，控制纳米合金颗粒沉积在上基底或者下基底；当辐照功率在1.5-5W时，纳米合金颗粒可在上基...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓鹤翔，马睿乾，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42