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自下而上的纳米材料合成

1980
Scientist performing bottom-up synthesis of nanomaterials in a laboratory.

(generate image for illustration only)

Bottom-up synthesis builds nanomaterials from atomic or molecular precursors through chemical or physical processes. This approach relies on self-assembly or controlled deposition, allowing for the creation of materials with high purity and precise control over size and composition. Common methods include sol-gel synthesis, chemical vapor deposition (CVD), molecular beam epitaxy (MBE), and colloidal synthesis.

自下而上合成代表了一种以原子级精度构建纳米材料的范例,通常模仿晶体生长等自然过程。与自上而下的方法相比,这些方法具有显著的优势,主要在于它们能够制备出缺陷更少、化学成分更均匀、尺寸分布更清晰、更窄的纳米材料。

化学 Vapor Deposition (CVD) is a versatile technique where a substrate is exposed to one or more volatile precursors, which react or decompose on the substrate surface to produce the desired deposit. For example, graphene is commonly grown by flowing a hydrocarbon gas (like methane) over a copper foil at high temperatures. The methane decomposes, and carbon atoms arrange themselves into the hexagonal lattice of graphene on the copper surface. This method is scalable and produces high-quality films.

Sol-gel synthesis is a wet-chemical technique used to produce solid materials from small molecules. The process involves the conversion of precursors (typically metal alkoxides or metal chlorides) into a colloidal solution (the ‘sol’) and then into an integrated network (the ‘gel’) of either discrete particles or continuous polymers. After drying and heat-treatment, the gel is converted into a dense ceramic or glass. This method is low-cost and allows for the creation of highly porous materials and complex oxide nanoparticles at low temperatures.

胶体合成对量子点尤为重要,它涉及纳米颗粒在液体溶液中的成核和生长。通过精确控制温度、前体浓度以及稳定配体(表面活性剂)的存在等参数,化学家可以精确调整纳米颗粒的最终尺寸、形状和晶体结构。配体覆盖颗粒表面,防止聚集,并使颗粒能够分散在各种溶剂中。

UNESCO Nomenclature: 2303
- 无机化学

类型

化学工艺

中断

基础

使用方法

广泛使用

前体

  • 有机金属化学的进展提供了分子前体
  • 了解成核和生长的化学动力学和热力学
  • 用于胶体稳定的表面活性剂和聚合物化学的发展
  • 高真空技术使能技术,如分子束外延技术

应用

  • 用于显示器的单分散量子点的合成
  • 通过化学气相沉积法生长高纯度碳纳米管和石墨烯
  • 通过溶胶-凝胶法生产二氧化硅(sio2)和二氧化钛(tio2)纳米颗粒
  • 利用分子束外延制备高质量半导体薄膜
  • 创建自组装单分子层用于表面改性

专利:

NA

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