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納米氣溶膠沉積技術發(fā)展：

閃電是由于云層電荷積累擊穿不導電的空氣，形成的強脈沖放電。其溫度從攝氏一萬七千度至二萬八千度不等，是太陽表面溫度的 3～5 倍。人類很早就注意到了這一現(xiàn)象，在 20 世紀處，便有科學家提出雷電是產(chǎn)生地球早期有機物質(zhì)的原因。在 1959 年，米勒尤列通過實驗模擬了實驗條件下的閃電，并證明該方法確實產(chǎn)生了簡單的氨基酸等有機物。

米勒尤列實驗探尋生命起源

這種方法與閃電的原理類似，屬于火花放電現(xiàn)象，也被稱為 “人工閃電"。天才的科學家們的探索是無止境的，經(jīng)過多年發(fā)展，“人工閃電" 便被用于材料加工、分析等領域，并發(fā)展出用于納米材料制備合成的火花燒蝕納米氣溶膠沉積技術。

來自荷蘭代爾夫特理工大學的 Andreas Schmidt Ott 教授

上世紀 80 年代，來自荷蘭代爾夫特理工大學的安德列亞斯·施密特（Andreas Schmidt Ott）教授在實驗室中進行超細顆粒物質(zhì)的研究。在當時，納米材料的概念還未深入人心，制備納米材料的方法鳳毛麟角。安德烈亞斯教授只能采用當時主流的電阻絲爆炸法獲得納米顆粒，在偶然中突然發(fā)現(xiàn)熔斷的金屬絲之間產(chǎn)生了持續(xù)的放電，產(chǎn)生了更小的納米顆粒，火花燒蝕（Spark Ablation）制備納米粒子的方法就在機緣巧合之中誕生了。

經(jīng)過多年的發(fā)展，火花燒蝕已經(jīng)發(fā)展成為一個跨學科、多領域的綜合性技術。近期，安德列亞斯教授也對自己長達 40 年的研究做了一個回顧，在新的階段，鼓勵更多的研究者使用火花燒蝕技術探索納米材料的無限可能。

1.  Spark Ablation 的基本原理

Spark Ablation 技術（以下簡稱火花燒蝕）采用的火花放電，是在曲率不大的電極材料（靶材）兩端施加高壓，從而擊穿不導電介質(zhì)形成持續(xù)的放電。閃電便是典型的火花放電現(xiàn)象，但由于積累的電荷得不到補充，其放電通常無法持續(xù)，目前自然界探測到最長的閃電放電時間只有 16.73 秒。

通過類似簡單電阻、電容和電感（RCL）組成的電路便可以模擬實現(xiàn)“人工閃電"。其低功率以及脈沖放電的特性賦予其單個火花很高的能量。想象一下被閃電劈中有多可怕，就能知道持續(xù)不斷的火花放電的威力。高壓電源可持續(xù)地周期性地為電容充電，在達到擊穿電壓后，電極間隙的惰性氣體會被擊穿，形成明亮的放電通道。

簡易的火花放電電路圖

火花放電通道的形成

正是因為火花放電這種低功率爆發(fā)式能量輸出，電極材料在燒蝕作用下會迅速蒸發(fā)（閃蒸）成為原子，并逐漸冷凝長大成為顆粒。顆粒分散在惰性氣體氛圍中形成納米氣溶膠，可在氣流帶動下運動，是放電技術和氣溶膠技術的結(jié)合。

脈沖放電將電極材料閃蒸

因為放電的脈沖特性，可以通過輸出功率以及放電頻率的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)產(chǎn)量與粒徑的調(diào)控。而為了實現(xiàn)更大的單位時間產(chǎn)率，提高放電頻率（1~25kHz），可顯著提升納米材料的產(chǎn)量。

火花能量與燒蝕產(chǎn)量間的關系

2.  火花燒蝕技術的發(fā)展

與眾多真空條件下的物理氣相沉積方法不同，火花燒蝕在常壓下進行，利用惰性氣體作為介質(zhì)輸送納米粒子，擺脫真空系統(tǒng)的限制，具備更高的靈活性。安德烈亞斯教授總結(jié)了多年來許多研究者的成果，將火花燒蝕技術的應用總結(jié)為三個主要的方向：顆粒粒徑的控制，納米合金制備，顆粒沉積技術。

粒徑的控制與篩選

火花燒蝕方法通過放電的形式先產(chǎn)生金屬原子，通過輻射和絕熱膨脹快速冷卻（10^8/K·S），在氣體分子的作用下凝并長大，形成納米顆粒。根據(jù)公式，我們可以通過參數(shù)的調(diào)整顆粒的粒徑，其影響因素包括氣流，產(chǎn)率，腔室以及電極材料本身等。

圖丨顆粒的粒徑控制及其影響因素

在所有影響因素中，氣體分子的作用對于控制顆粒的粒徑至關重要。而在真空氣相沉積技術中，往往很難通過氣體分子影響顆粒的粒徑，這一方面是因為氣體分子較少，另一方面是顆粒的運動距離較短。而火花燒蝕的方法在常壓條件下的流動惰性氣體中進行，顆粒從原子凝并成為團簇，最終長大成為納米顆粒。氣體分子可以吸收納米粒子的能量使其迅速冷卻，同時也促進顆粒之間的碰撞與凝并。

圖丨氣溶膠長大過程

通過延長氣溶膠顆粒的運動路程也可以獲得更大粒徑的顆粒，但通常會造成顆粒的團聚，同時對于部分材料，較快的冷卻速率會形成非晶，影響整體的結(jié)晶性。在出口后端添加在線燒結(jié)模塊，促使顆粒重新燒結(jié)長大，獲得結(jié)晶性和分布更為優(yōu)良的納米粒子。

圖丨氣體種類以及氣流量對于顆粒數(shù)量和粒徑的影響

雖然火花燒蝕可以產(chǎn)生單分散的納米氣溶膠，但部分研究對于粒徑分布有更高的要求。通過對帶電顆粒進行篩選，可以獲得單一粒徑的顆粒，這一方法通過 SMPS 輔助實現(xiàn)。與團簇束流源沉積系統(tǒng)類似，帶電顆粒在電場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因為不同粒徑顆粒的荷質(zhì)比不同，故而偏轉(zhuǎn)軌跡不同，因此可以獲得固定尺寸的納米粒子。通過對精確粒徑的納米粒子以及團簇研究，探究尺寸與性能之間的關系，從而開發(fā)特定體系的材料。

圖丨篩選后的 3nm Pt 納米粒子

納米合金制備

火花燒蝕技術最大的特點便是其混合材料的能力。與其它放電技術相比，火花放電中陽極靶材也會產(chǎn)生顆粒，從而實現(xiàn)溫度（20000K）下的物質(zhì)混合。通過這一方法，可以制備許多常規(guī)方法無法合成或宏觀條件下不互溶的物質(zhì)，如二元合金或者多元合金。利用火花燒蝕的方法更可以合成化學法難以實現(xiàn)的納米高熵合金合成，并實現(xiàn)粒徑以及成分的調(diào)控。

圖丨火花燒蝕制備高熵合金納米粒子

通過改變電極靶材組合，可以得到不同比例以及成分的納米合金顆粒。單質(zhì)，合金均可以被用作電極材料，而電極材料可以通過金屬冶煉或粉末壓鑄獲得，因此該方法可以應用于多種體系的材料。

圖丨火花燒蝕的瞬時高溫非常利于材料的混合沉積

火花燒蝕技術雖然是物理氣相沉積技術的一種，但更偏向于顆粒技術，而不是直接獲得薄膜。事實上傳統(tǒng)的 PVD 或 CVD 方法更傾向于制備薄膜或者粉體，但氣溶膠技術提供了另一種思路，這種溫和的軟沉積方式更為靈活，可以實現(xiàn)單分散顆粒沉積或多孔基底材料的均勻負載。

由于納米氣溶膠顆粒會在氣體中不斷做無規(guī)則的布朗運動，因此基于擴散的原理，可以在平面樣品表面收集單分散的納米粒子。

圖丨擴散沉積獲得單顆粒納米粒子

而利用類似“口罩"過濾的原理，納米粒子會沉積在基底的表面和內(nèi)部。通過控制沉積時間，可以得到不同的沉積量。

圖丨“口罩"過濾式沉積輕松實現(xiàn)納米顆粒負載

一種更為有趣的應用是將產(chǎn)生的納米顆粒進行打印沉積，實現(xiàn)特定成分的圖案精細繪制。與目前主流的平面納米印刷沉積不同，這種方式不需要導電添加劑，可以很大程度保留顆粒本身的性質(zhì)，因此又被稱為氣溶膠直寫技術。實現(xiàn)直寫的方式有兩種，通過沖壓的原理，可以用類似打印的方式將氣溶膠噴印在基底上。通過調(diào)整氣流量以及噴嘴和基底的距離從而實現(xiàn)不同線寬以及結(jié)構的圖案繪制。

圖丨氣溶膠沖壓沉積印刷

另一種方式則是利用電場的輔助，引導帶電顆粒聚焦實現(xiàn)特定尺寸的納米結(jié)構打印，而由于其較高的精度，又被稱為氣溶膠光刻技術或“法拉第 3D 打印"。該裝置基本結(jié)構為：火花燒蝕氣溶膠源，掩膜以及壓電納米平臺。陽離子在掩膜孔聚集，扭曲電場，促使氣溶膠顆粒沿著電場線自主的收束，在平臺聚焦形成微納結(jié)構。

圖丨電場輔助氣溶膠打印

Nano Spark 系列聚焦火花燒蝕技術制備納米材料的研究，并將不斷介紹該技術的相關進展與應用。下一期將向大家介紹報告中火花燒蝕技術的典型應用，歡迎大家關注我們了解更多關于火花燒蝕技術的信息。

VSParticle 是一家專注于納米技術的荷蘭公司，其聯(lián)合創(chuàng)始人為火花燒蝕氣溶膠技術的發(fā)明人：Andreas Schmidt Ott 教授。專注于氣溶膠技術，致力推廣火花燒蝕技術，促進交叉學科的發(fā)展，為納米研究帶來變革型技術。