氨氣熱還原法制備氮化鈦納米顆粒

陶冬源 楊修春(同濟(jì)大學(xué)，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(jì)大學(xué)，上海 201800)

氮化鈦薄膜因具有高硬度、優(yōu)良的耐摩擦性能、獨(dú)特而可變的顏色以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特性，在機(jī)械、半導(dǎo)體、裝飾及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。另一方面，氮化鈦由于其優(yōu)秀的等離子體共振效應(yīng)正引起世界范圍內(nèi)研究人員的關(guān)注，適用于對(duì)醫(yī)學(xué)檢測(cè)有很大作用的拉曼增強(qiáng)等領(lǐng)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(duì)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(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)所用阿拉丁生產(chǎn)的粒徑為40nm的銳鈦礦相二氧化鈦納米顆粒，不經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理，直接放入真空管式爐中加熱，其中，升溫過(guò)程通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，隔絕空氣中其他氣體的干擾。升溫至800度，保溫5小時(shí)，保溫過(guò)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(guò)程中同樣需要通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。加熱過(guò)程中需控制真空管式爐內(nèi)壓力。

其中實(shí)驗(yàn)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(shù),在不同溫度下,其數(shù)值是不同的,它與溫度的關(guān)系可用下式表達(dá)：

樣品處理：由于氮化鈦上極易附著氧元素，需將樣品進(jìn)行密封儲(chǔ)存。

加熱過(guò)程中存在干擾氣體的生成，實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的反應(yīng)如下：

由反應(yīng)可知，加熱過(guò)程會(huì)出現(xiàn)中間產(chǎn)物H2O，在高溫情況下TiN會(huì)與H2O反應(yīng)生成TiO2，所以需要排除H2O對(duì)反應(yīng)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(shí)驗(yàn)在加熱完畢后通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。

高分辨透射電鏡分析：

圖1是經(jīng)過(guò)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(tuán)聚，顆粒疑似為空殼結(jié)構(gòu)。對(duì)TiN納米管進(jìn)行電子衍射測(cè)定表明，納米管中TiN顆粒呈現(xiàn)晶態(tài)，具有對(duì)應(yīng)于NaCl面心立方結(jié)構(gòu)TiN晶體的特征衍射環(huán)，其中直徑為8.16 nm、9.35 nm和13.21 nm的衍射環(huán)分別對(duì)應(yīng)TiN（111），（200）和（220）晶面。因而可以確定所得產(chǎn)物為T(mén)iN納米顆粒。

圖1 經(jīng)過(guò)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(fù)合材料的制備及光學(xué)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(xué)性能的研究，節(jié)能玻璃涂料的研究。