氨氣熱還原法制備氮化鈦納米顆粒

陶冬源 楊修春(同濟大學，上海 201800)

氨氣熱還原法制備氮化鈦納米顆粒

陶冬源 楊修春(同濟大學，上海 201800)

氮化鈦薄膜因具有高硬度、優良的耐摩擦性能、獨特而可變的顏色以及良好的化學穩定性等特性，在機械、半導體、裝飾及臨床醫學等領域得到了廣泛的應用[1]。另一方面，氮化鈦由于其優秀的等離子體共振效應正引起世界范圍內研究人員的關注，適用于對醫學檢測有很大作用的拉曼增強等領域[2～3]。通常制備氮化鈦納米材料需要高溫高能耗，本文采用氨氣熱還原法在相對低溫下制備氮化鈦納米顆粒。

氨氣熱還原法；氮化鈦；低溫低能耗；TEM

實驗：實驗所用阿拉丁生產的粒徑為40nm的銳鈦礦相二氧化鈦納米顆粒，不經過預熱處理，直接放入真空管式爐中加熱，其中，升溫過程通入氮氣作為保護氣體，隔絕空氣中其他氣體的干擾。升溫至800度，保溫5小時，保溫過程中通入氨氣氣流，流量為100 ml/min，熱處理完成后自然降溫，降溫過程中同樣需要通入氮氣作為保護氣體。加熱過程中需控制真空管式爐內壓力。

其中實驗所選溫度由吉布斯-亥姆霍茲公式確定，吉布斯自由能變化是溫度的函數,在不同溫度下,其數值是不同的,它與溫度的關系可用下式表達：

樣品處理：由于氮化鈦上極易附著氧元素，需將樣品進行密封儲存。

加熱過程中存在干擾氣體的生成，實驗中可能出現的反應如下：

由反應可知，加熱過程會出現中間產物H2O，在高溫情況下TiN會與H2O反應生成TiO2，所以需要排除H2O對反應的影響。另一方面，TiN在高溫真空下容易失去N原子，形成N元素含量較少的TiN，所以本實驗在加熱完畢后通入氮氣作為保護氣體。

高分辨透射電鏡分析：

圖1是經過氨氣熱處理法制備所得TiN納米顆粒的高分辨透射電鏡圖，由圖1可以看出，TiN納米顆粒直徑約為90nm左右，大于TiO2納米顆粒直徑，且易團聚，顆粒疑似為空殼結構。對TiN納米管進行電子衍射測定表明，納米管中TiN顆粒呈現晶態，具有對應于NaCl面心立方結構TiN晶體的特征衍射環，其中直徑為8.16 nm、9.35 nm和13.21 nm的衍射環分別對應TiN（111），（200）和（220）晶面。因而可以確定所得產物為TiN納米顆粒。

圖1 經過氨氣熱處理法制備所得TiN納米顆粒

[1]D.F.Sun,J.W.Lang,X.B.Yan,L.T.Hu,Q.J.Xue,Fabrica?tion of TiN nanorods by electrospinning and their electrochemical properties,J.Solid State Chem.184(2011)1333-1338.

[2]G.V.Naik,J.L.Scharoeder,X.J.Ni,A.V.Kildishev,T.D. Sands,A.Boltasseva,Titanium nitride as a plasmonic material for visible and near-infrared wavelengths,Opt.Mater.Exp.2(2012) 478-489.

[3]G.V.Naik,V.M.Shalaev,A.Boltasseva,Alternative plas?monic materials:beyond gold and silver,Adv.Mater.25(2013)3264 -3294.

陶冬源（1990-），男，漢族，江蘇徐州，碩士研究生，研究方向：等離子體共振材料。

楊修春（1965-），男，漢族，湖北黃梅，研究員，研究方向：納米顆粒-玻璃基復合材料的制備及光學性能的研究，有序介孔材料的制備、納米晶在有有序介孔中的自組裝及其光學性能的研究，節能玻璃涂料的研究。