常压超高温电加热气相沉积技术：纳米材料合成的新突破

《Nature Synthesis》：Electrified vapour deposition at ultrahigh temperature and atmospheric pressure for nanomaterials synthesis

本刊推荐：研究人员针对常压条件下难以实现多种前驱体可控气化合成多元纳米材料的挑战，开发了基于超高温电加热的气相沉积新方法。该方法通过半封闭反应器设计产生>2,000 K的高通量原子蒸气（1021-1022 atoms/cm2/s），成功制备了包含难混溶元素的单晶多元纳米盘和薄膜，为常压条件下功能纳米材料的绿色制造提供了新方案。

　　

在材料科学领域，气相沉积技术一直是制备高性能纳米材料和薄膜涂层的重要手段。然而，传统方法如化学气相沉积（CVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）往往需要在真空条件下进行，这不仅增加了设备成本和工艺复杂度，还限制了生产效率和材料多样性。更关键的是，在常压环境下，气相沉积过程容易因蒸气-气体相互作用导致反应-扩散不稳定，使得产物的化学计量比、均匀性和结晶度难以精确控制。尽管火焰合成等常压技术能够实现快速制备，但其复杂的中间化学反应过程使得对材料组分和晶体结构的调控变得异常困难。

针对这些挑战，来自美国马里兰大学、普林斯顿大学等机构的研究团队在《Nature Synthesis》上发表了一项突破性研究，提出了一种名为"电加热气相沉积"的新方法。该方法通过创新的反应器设计，在常压条件下实现了超高温原子蒸气的稳定产生，为多元纳米材料的可控合成开辟了新途径。

研究人员采用的核心技术包括：1）基于碳纸电加热器的超高温反应器设计，可实现~3,000 K的快速加热；2）原位拉曼光谱和光学发射光谱用于蒸气相温度与组分表征；3）激光诱导白炽光技术实时监测纳米颗粒成核过程；4）第一性原理密度泛函理论计算揭示晶体生长机制；5）滚动式连续沉积系统验证规模化生产潜力。

反应器设计与工作原理

研究团队设计了一种独特的半封闭反应器，将固态前驱体置于电加热碳纸（可达~3,000 K）与样品台之间约1 mm的狭窄空间内。当施加电流时，前驱体迅速气化分解为原子蒸气，形成高温（>2,000 K）、高通量（10²¹-10²² atoms/cm²/s）的定向蒸气流。这种蒸气在向上流动过程中与环境气体混合后快速冷却（~10⁴ K/s），在低温基底上沉积形成目标产物。

多元纳米材料的可控合成

通过优化加热周期（2秒加热/5秒冷却）和基底距离（3-5 cm），研究人员成功制备了多种结构精确的纳米材料。其中包括具有均匀元素分布的高熵FeCoNiCuPd合金纳米颗粒、多元硫化物FeCoNiS纳米颗粒，以及单晶六方结构Mo₄₅Co₂₅Fe₁₀Ni₁₀Mn₁₀O_x纳米盘。表征结果显示所有元素在纳米盘中均匀分布，无明显的相分离现象。

生长机理与动力学研究

通过原位光谱分析发现，前驱体在超高温下完全解离为原子物种，随后在上升过程中发生成核和生长。拉曼光谱显示蒸气温度从加热器附近的~2,600 K逐渐降低至基底处的~1,274 K。激光诱导白炽光测量证实纳米颗粒在气相中开始形成，随着距离增加，Ni纳米颗粒尺寸从11.2±2.8 nm增长至28.7±6.7 nm。

材料性能与应用展示

研究发现通过调节Mn含量（10%、5%、0%），Mo₄₅Co₂₅Fe_yNi_yMn_30-2yO_x纳米盘的磁各向异性可被有效调控。所有样品在298 K下均表现出明显的铁磁性，饱和磁化强度约40 emu/g。此外，这些纳米盘在氧析出反应中表现出与IrO₂相当的催化活性，其中Mn-5%样品在1.56 V（相对于可逆氢电极）下的几何电流密度达到80.25 mA/cm²。

技术普适性与规模化潜力

该方法适用于多种前驱体类型，成功制备了ZrO₂、SnO₂等薄膜材料。通过滚动式连续沉积演示，在移动的碳布基底上实现了Mo₄₅Co₂₅Fe₁₅Ni₁₅O_x纳米盘的均匀沉积，证明了该技术规模化生产的可行性。

这项研究开发的电加热气相沉积技术突破了传统气相沉积方法的局限性，在常压条件下实现了超高温原子蒸气的稳定产生和多元纳米材料的可控合成。该方法不仅为高温难熔材料的制备提供了新思路，其热力学非平衡条件下的快速合成特点还为开发新型复杂功能材料创造了条件。特别是其与滚动式技术兼容的潜力，为纳米材料的绿色规模化制造开辟了新的技术路径，在催化、能源、电子等领域具有广阔的应用前景。