纳米材料概论重点

1纳米材料概论重点纳米:纳米是一个长度单位，简写为nm。1nm=910m=10埃。光子晶体是指具有光子带隙（简称PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结原子团簇：由几个乃至上千个原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体（原子团簇尺寸一般小于20nm）。水热法:水热反应是高温高压下在水(水溶液)或水蒸气等流体中进行有关化学反应的总称。水热法是在高压釜里的高温(100～1000℃)、高压(1～100Mpa)反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，在高压环境下制备纳米微粒的方纳米材料的定义：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功的材料称为纳米材料.即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为1、人工纳米结构组装体系—按人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系2、纳米结构的自组装体系—指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。3、量子尺寸效应—是指当粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象。当能级间距大于热能、电场能或磁场能时，纳米微粒就会出现一系列与宏观物质不同的反常特性。4、宏观量子隧道效应—电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观量子隧道效应。5、纳米表面工程－是通过特定的加工技术赋予材料以纳米表面、使表面纳米结构化，从而使材料的表面得以强化、改性或赋予表面新功能的系统工程。基本单元构成的具有特殊功能的材料。莲花效应（lotuseffect），也称作荷叶效应，是指莲叶表面具有超疏水性以及自洁（self-cleaning）的特性。在东方文化里，莲花是纯净的象征。虽然，莲花喜欢生长在泥泞的湿地，但其叶子和花仍保持干净，这就是自洁的效果。植物学家研究莲叶表面发现它们有一个自然洁净的机制。莲叶的微观结构和表面化学意味着不会被水弄湿；水滴在叶片表面就如水银一般，并且可以带走污泥、小昆虫及污染物。而且，水滴在芋头叶子亦有相似的行为。表面效应:纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸减小而大幅度增加，表面能与表面张力也随之增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。纳米材料的分类：按属性：金属纳米材料，氧化物，硫化物，碳（硅）化合物，复合纳米材料。按功能：半导体型纳米材料，光敏型，增强型（对他相材料有提高力学性能等作用的纳米材料。一般不具有量子效应和量子隧道效应，但具有表面效应促使其有高表面活性，很强的表面能和表面结合能。）按形态：纳米点、线、带按来源：天然，合成2科技从研究内容上可分为哪几类？纳米科技从研究内容上可以分为三个方面：1纳米材料：几何尺寸达到纳米级,并且具有特殊性能的材料。是纳米科技发展的物质基础。2纳米器件：从纳米尺度上，设计和制造功能器件。3纳米尺度的检测和表征：在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能。制造纳米材料的路线:“自上而下”：通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。特点：尺寸从大到小。“自下而上”：以原子分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求,降低环境污染。如化学合成、自组装、定位组装等。纳米粒子的基本特性？（1）小尺寸效应（尺寸降，熔点降）：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会造成颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸的变小，所导致的颗粒宏观物理性质的改变称为小尺寸效应。（2）表面效应：纳米粒子表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而显著增加，粒子的表面能和表面张力也随着增加，物理化学性质发生变化。（粒度减小，比表面积增大；粒度减小，表面原子所占比例增大；表面原子比内部原子具有更高的比表面能；表面原子比内部原子具有更高的活性）（3）量子效应：当粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子波尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象（4）宏观量子隧道效应：宏观物理量具有的隧道效应。电子既具有粒子性又具有波动性。微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。小尺寸效应：金属纳米固体材料的电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效应。2)小尺寸效应的主要影响：a.金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自由程）动量b.宽频带强吸收性质（光波波长）c.激子增强吸收现象（激子半径）d.磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性）（各向异性能）e.超导相向正常相的转变（超导相干长度）f.磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸）纳米材料的特殊的光学性质及其应用：光学性质：光谱迁移性、光吸收性、发光性、光催化性、和非线性光学性质。应用：红外发射材料、光吸收材料（利用纳米材料对紫外吸收特性，可提高日光灯寿命、防晒油和化妆品、聚合物的防老化；以及红外吸收材料、隐身材料等）、自清洁材料、光催化材料等。纳米材料的特殊性质：光学性质（光吸收性）、磁性质、催化性质、增强增韧性、储氢性质、润滑性质纳米材料的特殊的磁学性质：超顺磁性和较高的矫顽力、巨磁电阻效应。5、纳米材料的制备方法（1）液相法：种类：沉淀法、水热法、溶胶－凝胶法、微乳液法沉淀法：均匀沉淀法、共沉淀法溶胶－凝胶法：溶胶－凝胶法的过程和原理以及溶胶－凝胶法的干燥技术。3微乳液法：原理及其合成纳米材料的机理（2）气相法种类：物理气相沉淀法和化学气相沉积法物理气相沉淀法：电极溅射法化学气相沉积法：等离子体加强气相化学反应法和激光诱导化学气相沉积法。（3）一维纳米材料的可控合成技术：气相－液相－固相法、层状卷曲机制备法和模板限制合成法。1、制备纳米粒子的物理方法（1）机械粉碎法：球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉碎气流磨。（2）蒸发凝聚法：金属烟粒子结晶法、流动油面上的真空蒸发沉积法、等离子体加热法、激光加热蒸发法、电子束加热蒸发法、电弧放电加热蒸发法、高频感应加热蒸发法、太阳炉加热蒸发法。（3）离子溅射法（4）冷冻干燥法（5）其他方法：火花放电法、爆炸烧结法、活化氢熔融金属反应法。2、制备纳米粒子的化学方法（1）气相化学反应法（气相分解法、气相合成法、气-固反应法）：利用挥发性的金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。该方法也叫做化学气相沉积法。（2）沉淀法：在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂(如OH-，C2O42-，CO32-等)制备纳米粒子的前驱体沉淀物（氢氧化物、水合氧化物或盐类），再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。（共沉淀法、均相沉淀法、水解沉淀法）（3）水热合成法：水热法是在特制的密闭反应容器里，采用水溶液作为反应介质，对反应容器加热，创造一个高温（100～1000℃）、高压（1～100MPa）的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶。（4）喷雾热解法：将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。（5）溶胶－凝胶法：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。8、碳纳米管（1）碳纳米管的制备方法：电弧法、激光蒸发法、CVD法（基种法、喷淋法、浮动催化法）（2）碳纳米管的结构与形态：结构：单壁、多壁；根据碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将单壁碳纳米管分为：扶手椅型、锯齿型和螺旋型。形态：开口型、封口型、竹节型、变径型、螺旋型、海胆型、洋葱型（3）碳纳米管的性能力学性能：碳纳米管是人类发现的强度最高的纤维。电学性能：随螺旋矢量（n，m）不同单壁碳纳米管的能隙宽度可以从零（金属）连续变化至1eV（半导体）。（4）应用：增强材料，高强材料，高能电池电极材料，储能材料1、纳米复合材料的分类：按用途可分为:结构纳米复合材料、功能纳米复合材料、智能纳米复合材料；按基体可分为聚合物基纳米复合材料和非聚合物基纳米复合材料。2、纳米复合材料的稳定化设计：纳米稳定化设计要特别注意聚合物的化学结构，聚合物与纳米粒子之间的作用形式有形成共价键、形成离子键、形成配位键和纳米作用能的亲和作用。3、纳米复合材料的制备：纳米微粒原位合成法、溶液共混法、聚合物基体原位聚合法、两相同步原位合成法相应例子。4、功能型纳米复合塑料应用：导电塑料，抗菌塑料5纳米复合纤维：抗紫外，吸收红外，保暖，杀菌。4医用纳米陶瓷：传统医用陶瓷的纳米化陶瓷，传统医用陶瓷的纳米材料改性陶瓷，新型医用纳米陶瓷1926年，物理学家布施利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，具有轴对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用，可以实现电子波聚焦，为电镜的发明奠定了基础。TEM的工作原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。TEM（透射电子显微镜）法测纳米样品的优缺点，检测什么信号：优点：分辨率高（1-3Å），放大倍数可达几百万倍，亮度高，可靠性和直观性强，是颗粒度测定的绝对方法。缺点：缺乏统计性，立体感差，制样难，不能观察活体，可观察范围小，从几个微米到几个埃。[1]取样时样品少，可能不具代表性。[2]铜网捞取的样品少。[3]观察范围小，铜网几平方毫米就是212nm10。[4]粒子团聚严重时，观察不到粒子真实尺寸。检测什么信号：TEM检测信号只有透射电子SEM法的优缺点，检测什么信号:优点：1)仪器分辨本领较高，通过二次电子像能够观察试样表面30Å左右的细节。2)放大倍数变化范围大(一般为10—800000倍)，且能近续可调。3)观察试样的景深大，图像富有立体感。可用于观察粗糙表面，如金属断口、催化剂等。4)样品制备简单。缺点：不导电的样品需喷金(Pt、Au)处理，价格高，分辨率比TEM低。检测什么信号：二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器进行检测。扫描隧道显微镜ScanningTunnelingMicroscopeSTM所依据的原理STM工作原理[1]隧道电流的产生。在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距，当针尖原子与样品表面原子距离≤10Å时，由于隧道效应，探针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过。电流强度对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化1Å，电流就变化一个数量级。[2]扫描方式：移动探针或样品，使探针在样品上扫描。根据样品表面光滑程度不同，采取两种方式扫描：恒流扫描，恒高扫描。A恒流扫描：当针尖在表面扫描时，反馈电流调节针尖与表面的间距，使针尖与样品之间的隧道电流守恒。它是目前应用最广最重要的一种方式，一般用于表面起伏较大的样品。其缺点：扫描速度慢。移动探针时，若间距变大，势垒增加，电流变小，这时，反馈系统控制间距电压，压电三角架变形使间距变小，相反…..，保持隧道电流始终等于定值。记录压电三角架在Z方向的变形得到样品表面形貌。B恒高扫描：针尖在表面扫描，直接得到隧道电流随样品表面起伏的变化，再将其转化为表面形状的图象。它仅适用于表面非常平滑的材料。特点：成像速度快。5原子力显微镜（简称AFM）利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之