金屬納米線陣列制備與表征綜合實驗

劉昊

摘 要 金屬納米線陣列可控制備是實現其在納米器件中應用的基礎。本文結合多孔陽極氧化鋁模板和電沉積技術制備了多種金屬納米線陣列，采用掃描電子顯微鏡、X射線能譜分析儀、X射線衍射儀對金屬納米線陣列的形貌、成分和物相進行表征。結果表明，該方法制備的金屬納米線陣列具有排列整齊、純度高、尺寸均勻、長度可控等優點。

關鍵詞 多孔陽極氧化鋁;電沉積;金屬;納米線陣列

納米結構材料是材料科學領域研究的熱點。其中，納米線、納米棒等一維金屬納米材料在傳感器、催化、能源等納米器件中可發揮重要作用[1]，而實現一維金屬納米結構的可控制備是其應用的基礎和前提。多孔陽極氧化鋁（AAO）具有納米級別、平行的圓柱形孔洞，可通過在金屬鋁表面發生陽極氧化反應得到[2]。AAO的孔徑、孔距等結構參數可以通過調節制備工藝實現有效調控[3]。因此，AAO常被用作模板合成納米線、納米管等一維納米結構材料[4]。

本實驗結合AAO模板和電沉積技術制備了多種金屬的納米線陣列，并進行了詳細的表征。該實驗一方面可以增強學生的實驗動手能力，另一方面還實現了與科學研究的前沿的結合，可用作材料、化學相關本科專業的綜合實驗。

1實驗材料與儀器

硫酸銅、硫酸銨、二亞乙基三胺（DETA）、氫氧化鈉（均為分析純，北京化學試劑有限公司）、AAO（Anodisc 13，Whatman）、鎳片（厚0.5 mm，99%純度，Goodfellow）、銅箔（厚0.5 mm，99%，Goodfellow）、濾紙（平均孔徑20μm，等級40，Whatman）、電化學工作站（CHI 660C，上海辰華）、分析天平（AUW220，島津儀器）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板等。

2實驗流程

首先對鎳片進行機械拋光和清潔，之后將鎳片（拋光面朝向AAO）、AAO、濾紙和銅箔陽極在外力作用下用兩塊PMMA板壓緊在一起，然后浸入電鍍液中。Cu電鍍液為：100g/L CuSO4·5H2O、20g/L（NH4）2SO4和80 ml/L DETA的混合液。連接電極，通過電化學工作站使用兩步脈沖電流法（-0.002 A，0.25 s;-0.03 A，0.05 s）電沉積金屬納米線陣列。結束后，取下AAO模板，浸入3M NaOH溶液30 min去除模板，得到金屬納米線陣列。采用SEM （Quanta 200，FEI）及其EDS配件（Oxford）分析金屬納米陣列的形貌和成分信息，采用XRD（SmartLab，Rigaku）分析樣品的物相。

3實驗結果與討論

圖1a是Cu納米線陣列的SEM圖。Cu納米線為陣列結構中每根納米線直徑約為200nm，尺寸較為均勻。上述結構與AAO模板的孔結構相當。通過調節電沉積時間或脈沖電流次數，納米線的長度可在幾百納米到幾十微米的范圍內調控。例如，當電沉積中施加的脈沖電流2000次時，納米線長度約為3 μm（圖1b）;脈沖電流次數5000次時，納米線長度約為8 μm（圖1c）。EDS結果表明（圖1d），納米線陣列主要成分為Cu元素（Ni元素來自于基底）。圖1e是樣品的XRD圖譜，衍射峰分別來自于Cu（111）、（200）和（220）晶面及Ni的（111）、（200）和（220）晶面（Ni的衍射峰來自于基底），沒有其他雜相，表明制備出的樣品為純相的Cu金屬納米線陣列。

此外，采用上述方法還制備了Ni、Au等其他金屬納米線陣列，形貌與上述結果類似，本文不再給出。因此，結合AAO模板和電沉積的方法，可以有效制備排列整齊、純度高、尺寸均勻、長度可控的多種金屬納米線陣列，可滿足不同的應用需求。

4結束語

本文結合AAO模板和電沉積的方法，采用SEM、EDS和XRD對金屬納米線陣列的形貌、成分、物相進行了分析，證明可實現多種金屬納米線陣列的可控制備。另外，本文的制備方法設備簡單，并實現了與科學研究前沿的有效結合，有利于增強學生對學習和科研的興趣。而且，在該過程中，學生還將了解一些重要儀器的原理及功能，掌握主要的分析方法，為未來的學習、科研工作打下良好的基礎。因此，本文可用作材料、化學相關本科專業的綜合實驗。

參考文獻

[1] 王超，賀躍輝，彭超群，等.一維金屬納米材料的研究進展[J].中國有色金屬學報，2012，22（1）：128-138.

[2] 劉學杰，李登帥，任元，等.陽極氧化鋁模板制備過程探究[J].鑄造技術，2016，37（7）：1325-1328.

[3] 曹國寶，朱文，李鏡人，等.多孔陽極氧化鋁模板制備的研究進展[J].材料導報，2014，28（7）：153-157.

[4] 孫小彤，陳南，梁含雪，等.陽極氧化鋁模板限域制備一維雜化納米材料及其多樣化應用的研究進展[J].應用化學，2020，37（2）：123-133.