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蒸汽冷凝法制备纳米颗粒物理学院2013级柯震 131120152一、实验目的学习和掌握利用蒸汽冷凝法制备金属纳米微粒的基本原理和实验方法，研究微粒尺寸与惰性气体气压之间的关系。二、实验原理利用宏观材料制备微粒，通常有两条途径，一种是由大变小，即所谓粉碎法；另一种是由小变大，即由原子气通过冷凝、成核、生长过程，形成原子簇进而长大为微粒，称为聚集法。本实验采用气相法（聚集法）中的蒸气冷凝法制备铜纳米颗粒。图1 蒸汽冷凝法原理A.原材料的蒸气； B.初始成核； C.形成纳米颗粒； D.长大了的纳米微粒； E.惰性气体，气压约为kPa数量级； F.纳米微粒收集器； G.真空罩； H.加热钨丝； I.电极图1显示蒸汽冷凝法制备纳米颗粒的过程。首先利用抽气泵对系统进行真空抽吸，并利用惰性气体进行置换。惰性气体为高纯度的Ar、He等，有些情形也可以考虑采用氮气。经过几次置换后，将真空反应室内保护气的气压调节控制至所需的参数范围，通常为0.1kPa至10kPa范围，与所需粒子粒径有关。当原材料被加热至蒸发温度时（此温度与惰性气体压力有关，可从材料的蒸气压-温度相图查得）蒸发成气相。气相的原材料原子与惰性气体原子或分子碰撞，迅速降低能量而骤然冷却。骤冷使得原材料的蒸气中形成很高的局域过饱和，非常利于成核。图2显示成核速率随过饱和度的变化。成核与生长过程都是在极短时间内发生的。图3给出总自由能随核生长的变化，一开始自由能随着核生长的半径增大而变大，但是一旦核的尺寸超过临界半径，它将迅速长大。首先形成原子簇，然后继续生长成纳米微粒，最终在收集器上收集到纳米粒子。在制备纳米微粒的过程，由于成核与生长几乎是同时进行的，微粒的大小与过饱和度P/Pe有密切关系，这导致如下几项因素与微粒尺寸有关：(1) 惰性气体的压力，其越小碰撞几率越低，原材料原子能量损失越小，Pe值降低较慢；(2) 惰性气体的原子量越小，一次碰撞的能量损失越小；(3) 蒸发速率越快，P/Pe越大；(4) 收集器离蒸发源的距离越远，微粒生长时间越长。实际操作时可根据上述几方面的因素调剂P/Pe值，从而控制微粒的分布尺寸。 图3 成核速率随过饱和度的变化图2 成核速率随过饱和度的变化三、实验仪器实验采用HT-218型纳米微粒制备试验仪进行，其原理如图4所示。玻璃真空罩G置于仪器顶部真空橡皮圈的上方。真空罩下方真空室地盘P的上半部倒置了一只玻璃烧杯F，用作纳米微粒的收集器。两个铜电极I之间接以螺旋状钨丝H，铜电极接至蒸发速率控制单元。在真空或低压惰性气体状态下启动该单元，钨丝上即通过电流并可获得1000℃以上的高温。真空底盘P开有四孔，孔下方分别接有气体压力传感器E以及连结阀门V1，V2和电磁阀Ve的管道。气体压力传感器E连接至真空度测量单元，并在数字显示表M1上直接显示实验过程中真空室内的气体压力。阀门V1通过一管道与仪器后侧惰性气体接口连接，实验时可利用V1调整气体压力，也可借助Ve调整压力。阀门V2的另一端直通大气，主要为打开钟罩而设立。电磁阀Ve的另一端接至抽气单元并由该单元实行抽气的自动控制，以保证抽气的顺利进行并排除真空泵油倒灌进入真空室。蒸发控制单元的加热功率控制旋钮置于仪器面板上，调节加热器时数字显示表M2直接显示加热功率。图4 纳米微粒制备实验仪器、原理及面板图E.气体压力传感器； F.微粒收集器； G.真空罩； H.钨丝； I.铜电极； P.真空室底盘； V1.惰性气体阀门； V2.空气阀门； Ve.电磁阀； S1.电源总开关； S2.抽气单元开关； M1.气体压力表； M2.加热功率表四、实验内容实验步骤：(1) 检查仪器各单元是否正常；(2) 对真空系统进行清洁，擦干净仪器与烧杯；(3) 取适量铜片（2-3条），挂在钨丝上，盖上烧杯，罩好真空罩；(4) 关闭惰性气体阀门和空气阀门，加热功率置于最小，打开系统电源；(5) 对系统进行抽气，直至气压保持恒定，并置此恒定气压为零；(6) 打开惰性气体阀门，使系统达到动态平衡，调节动态平衡气压为0.13kPa；(7) 调节加热功率，使钨丝变红，直至铜片完全蒸发；(8) 关闭加热，关闭惰性气体阀门，打开空气阀门，拿下真空罩和烧杯；(9) 重复上述操作，在动态氮气压强为1.3kPa和3.9kPa条件下重复实验；(10) 对仪器进行清洁和整理。注意事项：1、实验中加热时间不可过长，否则铜可能颗粒过大。2、蒸发材料时，钨丝将发出强烈耀眼的光。其中的紫外部分已基本被玻璃吸收，在较短的蒸发时间内用肉眼观察未见对眼睛的不良影响。但为安全起见，请尽量带上保护眼镜。3、制成的纳米微粉极易弥散到空气中，收集时要尽量保持动作的轻慢，同时也要避免吸入。4、实验操作中抽气阀、惰性气体阀门和放气阀的操作要熟练。5、由于惰性气体进气和抽气速度不一致，实验中很