纳米材料及其应用

第四篇纳米材料及其应用更多资源xiti123.taobao.com第四篇纳米材料及其应用纳米材料科学——对介于团簇和亚微米级体系之间1—100nm微小体系的制备及其特性的研究的一个分支学科。1990年7月在美国巴尔基摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个分支公布于世。纳米材料科学的诞生标志着材料科学已经进入了一个新的层次。第四篇纳米材料及其应用一、纳米微细材料的工艺方法二、纳米材料的量子效应三、纳米材料的热学特性四、纳米材料的磁学特性五、纳米材料的光学特性六、纳米微粒的分析和测量七、纳米材料的应用一、纳米微细材料制造的工艺方法1、激光诱导化学气相沉积法（LICVD）基本原理——利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导合成，在一定工艺条件下，获得纳米微粒。优点——表面清洁、纳米微粒大小可精确控制、无粘结、粒度分布均匀。2、低温等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）基础——化学气相沉积法原理——由于等离子体是不等温系统，其中“电子气”具有比中性粒子和正离子大得多的平均能量；电子的能量足以使气体分子的化学键断裂，并导致化学活性高的粒子（离子、活化分子等基团）的产生。即，反应气体的化学键在低温下就可以被分解，从而实现高温材料的低温合成。1、微波源2、真空系统3、励磁系统4、配气系统5、反应室6、基片加热系统低温等离子体增强化学气相沉淀技术的优点：①运行气压低。②等离子体密度高。③无内电极放电，杂质少，污染小。④微波能量转换率高，达95%。⑤离子能量低。⑥可稳态运行，参数易于控制。⑦速率高、纳米材料纯度高。⑧提高了反应物的活性。⑨有良好的各向异性刻蚀性能。3、液相法制备纳米材料化学共沉淀是利用各种组分元素的可溶性盐类，把它们按一定的比例配制成液体，然后加入沉降剂，如、等，使得各种组分元素共同形成沉淀，并通过控制溶液浓度、PH值等来控制形成沉淀粉体的性能。最后经过过滤、洗涤，对沉淀物进行加热分解，得到各种组分元素的氧化物均匀复合粉体。氧化锌纳米粉体的制备过程如图所示。OHNH434CONH二、纳米材料的量子效应1、量子尺寸效应以下两种情形均称为量子尺寸效应：一是纳米粒子尺寸小到某一值时，在费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象；二是纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能级间隔变宽现象。当能级间隔大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，就必须要考虑量子尺寸效应。量子尺寸效应导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。例如，当温度为1K时，Ag纳米微粒粒径14nm时，Ag纳米微粒变为金属绝缘体。2、小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的变化，称为小尺寸效应。例如，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态转变；超导相向正常相的转变；声子谱发生改变等。三、纳米材料的热学特性纳米微粒的熔点、烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。这是纳米微粒量子效应造成的。四、纳米材料的磁学特性纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应，使其具有常规粗晶材料不具备的磁特性。主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁化率。超顺磁状态的起因：由于小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。例如，粒径为85nm的纳米镍Ni微粒，矫顽力很高，而当粒径小于15nm时，其矫顽力Hc→0，即进入了超顺磁状态。五、纳米材料的光学特性1、宽频带强吸收当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。这就是纳米材料的强吸收率、低反射率。例如，铂金纳米粒子的反射率为1%。纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。2、纳米微粒分散物系的光学性质和发光效应纳米微粒分散于介质中形成分散物系（溶胶），纳米微粒称为胶体（或分散相）。由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性，使得分散物系具有特殊的光学特性，例如丁达尔效应。丁达尔效应——如果让一束聚集的光线通过分散物系，在入射光的垂直方向上可以看到一个发光的圆锥体。另外，当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。这是载流子的量子限域效应引起的。六、纳米材料的应用由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，使得它在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性，因此纳米微粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛的应用。1、磁性材料2、光学应用3、生物和医学上的应用4、传感材料5、军事上的应用1、磁性材料磁流体是磁性材料应用的一个典型。磁流体——是使强磁性超微粒子外包裹一层长链的表面活性剂，稳定地分散在基液中形成的胶体。磁流体的特性——具有固体的强磁性和液体的流动性。磁流体的应用：磁密封、磁液扬声器、磁记录等此外，还可作为光快门、光调节器、激光磁爱滋病毒检测仪等仪器仪表材料；抗瘤药物磁性载体、细胞磁分离介质、复印机墨粉、磁性墨水等材料。2、光学应用纳米策粒的小尺寸效应使其具有与常规大块材料不同的光学特性。如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸的很大的依赖关系。⑴光学纤维光纤在现代通信和光传输上占据极为重要的地位。而纳米微粒作为光纤的材料可以降低光导纤维的传输损耗。关键是要经过热处理，经过热处理的光纤比未经过热处理的光纤性能好得多。2、光学应用⑵紫外吸收材料纳米微粒的量子尺寸效应使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象；纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。利用这两种特性，人们制成纳米紫外吸收材料。3、生物和医学上的应用纳米微粒的尺寸一般比生物体的细胞、红血球小得多，这就为生物学和医学研究和应用提供了途径。生物应用，主要在生物细胞分离、细胞内部染色体等方面。生物细胞分离的目的，是快速获取研究所需的细胞标本。医学上的应用，大体上说，是将磁性纳米粒子作为药物的载体，静脉注射到动物体内，在外加磁场的作用下，通过纳米微粒的磁性导向，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。4、传感器材料传感器主要材料是金属。一般超微粒金属是黑色，它具有吸收红外线的特点，且表面积大、表面活性高，对周围环境变化十分敏感。⑴气体传感器利用金属氧化物随周围环境中气体的改变，电学性能（如电阻）发生变化，反过来对气体进行检测和定量测定。它可用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传感器。⑵红外线传感器由金超微粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器，制成辐射热测量器。5、军事上的应用纳米隐身涂料纳米机器人——“纳米微型军”更多资源xiti123.taobao.com