纳米材料及纳米材料的制备方法简介

纳米材料的制备方法•一、纳米材料制备方法的研究背景•二、纳米材料介绍与制备方法•三、纳米材料的表征设备与技术•四、主要结论纳米材料制备方法的研究背景•1959年，理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。•1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。•1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。碳纳米管属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。•1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。纳米材料介绍与制备方法•什么是纳米材料与纳米科学技术？•纳米结构•纳米材料的分类•纳米材料的特性纳米材料介绍与制备方法•纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1纳米～100纳米)或由它们作为基本单元构成的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料•纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”。显微镜下的部分纳米材料复合氧化物一维和零维单晶纳米材料显微镜下的部分纳米材料•稀土纳米材料纳米科学技术是在0.1一IO0nm尺寸空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性的科学技术。它的最终目的是人类按照自己的意愿直接操作单个原子，制造具有独特性能的产品。纳米结构•纳米结构通常是指尺寸在100nm以下的微小结构纳米材料结构的基本单元：1、零维：团簇、人造原子、纳米微粒2、一维：纳米线、纳米棒、纳米管3、二维：纳米带、超薄膜、多层膜纳米材料的分类纳米材料大致可分为四类：1纳米粉末2纳米纤维3纳米膜4纳米块体纳米材料的四大效应•纳米材料的体积效•纳米材料的表面效应•纳料材料的量子尺寸效应•纳米材料的宏观量子隧道效应纳米材料的四大效应1.纳米材料的体积效应：当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，这就是纳米粒子的体积效应。纳米材料的四大效应2.纳米材料的表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。当粒径降到1nm时，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。纳米材料的表面效应图100806040200比例（%）表面原子数相对总原子数01020304050纳米材料的四大效应3.纳料材料的量子尺寸效应粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。纳米颗粒尺寸小，表面积大，在熔点，磁性，热阻，电学性能，光学性能，化学活性和催化性等都较大尺度颗粒发生了变化，产生一系列奇特的性质。纳米材料的四大效应4.纳米材料的宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力。•近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。纳米材料的表征设备与技术主要表征设备与技术：1扫描电子显微镜2X射线衍射仪3拉曼光谱仪纳米材料的表征设备与技术扫描电子显微镜纳米材料的表征设备与技术X射线衍射仪纳米材料的表征设备与技术3拉曼光谱仪纳米材料介绍与制备方法•化学气相沉积法•分子束外延法•脉冲激光法•固相烧结法•水热法•溶胶凝胶法Sol-gelPLDMBECVDMagnetronSputter化学气相沉积法•该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。•优点:均匀性好,可对整个基体进行沉积等。•缺点:是衬底温度高。化学气相沉积法分子束外延法•分子束外延(MBE)是一种真空蒸发技术,即把原材料通过加热,转化为气态,然后在真空中膨胀,再在衬底上凝结,进行外延生长.参数:生长温度、激光脉冲重复频率、环境气体压力以及激光脉冲能量密度分子束外延法分子束外延法脉冲激光沉积法•脉冲激光沉积法是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。•一般可以分为以下四个阶段：1.激光辐射与靶的相互作用2.熔化物质的动态3.熔化物质在基片的沉积4.薄膜在基片表面的成核与生成固相烧结法•固相烧结法是制备纳米薄膜块的传统方法，通常是利用金属化合物的热分解来制备超微粒。•按其组元多少可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类水热法•水热法是通过高温高压在水溶液或蒸汽等流体中合成物质,再经分离和热处理得到纳米微粒。•分类：水热氧化法、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等,。•该法制得的纳米粒子纯度高、分散性好、晶形好且大小可控。水热法溶胶凝胶法•溶胶凝胶法是用易水解的金属化合物(无机盐或金属盐)在某种溶剂中与水发生反应,经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化,再经干燥、烧结等后处理得到所需的材料。•低温下制备纯度高、粒径分布均匀、化学活性高的单、多组份混合物(分子级混合),并可制备传统方法不能或难以制备的产物。溶胶凝胶法主要结论随着纳米材料和纳米技术基础研究的深入和实用化进程的发展，纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用显现出欣欣向荣的景象。纳米材料其诱人的应用前景使人们对这一崭新的材料科学领域和全新研究对象努力探索，扩大其应用范围，使它为人类带来更多的利益。