金属纳米线阵列制备与表征综合实验

刘昊

摘 要 金属纳米线阵列可控制备是实现其在纳米器件中应用的基础。本文结合多孔阳极氧化铝模板和电沉积技术制备了多种金属纳米线阵列，采用扫描电子显微镜、X射线能谱分析仪、X射线衍射仪对金属纳米线阵列的形貌、成分和物相进行表征。结果表明，该方法制备的金属纳米线阵列具有排列整齐、纯度高、尺寸均匀、长度可控等优点。

关键词 多孔阳极氧化铝;电沉积;金属;纳米线阵列

纳米结构材料是材料科学领域研究的热点。其中，纳米线、纳米棒等一维金属纳米材料在传感器、催化、能源等纳米器件中可发挥重要作用[1]，而实现一维金属纳米结构的可控制备是其应用的基础和前提。多孔阳极氧化铝（AAO）具有纳米级别、平行的圆柱形孔洞，可通过在金属铝表面发生阳极氧化反应得到[2]。AAO的孔径、孔距等结构参数可以通过调节制备工艺实现有效调控[3]。因此，AAO常被用作模板合成纳米线、纳米管等一维纳米结构材料[4]。

本实验结合AAO模板和电沉积技术制备了多种金属的纳米线阵列，并进行了详细的表征。该实验一方面可以增强学生的实验动手能力，另一方面还实现了与科学研究的前沿的结合，可用作材料、化学相关本科专业的综合实验。

1实验材料与仪器

硫酸铜、硫酸铵、二亚乙基三胺（DETA）、氢氧化钠（均为分析纯，北京化学试剂有限公司）、AAO（Anodisc 13，Whatman）、镍片（厚0.5 mm，99%纯度，Goodfellow）、铜箔（厚0.5 mm，99%，Goodfellow）、滤纸（平均孔径20μm，等级40，Whatman）、电化学工作站（CHI 660C，上海辰华）、分析天平（AUW220，岛津仪器）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板等。

2实验流程

首先对镍片进行机械抛光和清洁，之后将镍片（抛光面朝向AAO）、AAO、滤纸和铜箔陽极在外力作用下用两块PMMA板压紧在一起，然后浸入电镀液中。Cu电镀液为：100g/L CuSO4·5H2O、20g/L（NH4）2SO4和80 ml/L DETA的混合液。连接电极，通过电化学工作站使用两步脉冲电流法（-0.002 A，0.25 s;-0.03 A，0.05 s）电沉积金属纳米线阵列。结束后，取下AAO模板，浸入3M NaOH溶液30 min去除模板，得到金属纳米线阵列。采用SEM （Quanta 200，FEI）及其EDS配件（Oxford）分析金属纳米阵列的形貌和成分信息，采用XRD（SmartLab，Rigaku）分析样品的物相。

3实验结果与讨论

图1a是Cu纳米线阵列的SEM图。Cu纳米线为阵列结构中每根纳米线直径约为200nm，尺寸较为均匀。上述结构与AAO模板的孔结构相当。通过调节电沉积时间或脉冲电流次数，纳米线的长度可在几百纳米到几十微米的范围内调控。例如，当电沉积中施加的脉冲电流2000次时，纳米线长度约为3 μm（图1b）;脉冲电流次数5000次时，纳米线长度约为8 μm（图1c）。EDS结果表明（图1d），纳米线阵列主要成分为Cu元素（Ni元素来自于基底）。图1e是样品的XRD图谱，衍射峰分别来自于Cu（111）、（200）和（220）晶面及Ni的（111）、（200）和（220）晶面（Ni的衍射峰来自于基底），没有其他杂相，表明制备出的样品为纯相的Cu金属纳米线阵列。

此外，采用上述方法还制备了Ni、Au等其他金属纳米线阵列，形貌与上述结果类似，本文不再给出。因此，结合AAO模板和电沉积的方法，可以有效制备排列整齐、纯度高、尺寸均匀、长度可控的多种金属纳米线阵列，可满足不同的应用需求。

4结束语

本文结合AAO模板和电沉积的方法，采用SEM、EDS和XRD对金属纳米线阵列的形貌、成分、物相进行了分析，证明可实现多种金属纳米线阵列的可控制备。另外，本文的制备方法设备简单，并实现了与科学研究前沿的有效结合，有利于增强学生对学习和科研的兴趣。而且，在该过程中，学生还将了解一些重要仪器的原理及功能，掌握主要的分析方法，为未来的学习、科研工作打下良好的基础。因此，本文可用作材料、化学相关本科专业的综合实验。

参考文献

[1] 王超，贺跃辉，彭超群，等.一维金属纳米材料的研究进展[J].中国有色金属学报，2012，22（1）：128-138.

[2] 刘学杰，李登帅，任元，等.阳极氧化铝模板制备过程探究[J].铸造技术，2016，37（7）：1325-1328.

[3] 曹国宝，朱文，李镜人，等.多孔阳极氧化铝模板制备的研究进展[J].材料导报，2014，28（7）：153-157.

[4] 孙小彤，陈南，梁含雪，等.阳极氧化铝模板限域制备一维杂化纳米材料及其多样化应用的研究进展[J].应用化学，2020，37（2）：123-133.