第10章纳米材料

Chapter10Nano-materials纳米科学技术是20世纪80年代末期产生的新兴科技，其中纳米材料是新材料技术中的一重要组成部分。21世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。在信息产业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术引起了世界各国政府和科技界的高度关注，这就是纳米科技。赂帐挺维菜鬼聪盐蒋汰顷贰阻寺风栽问倔削液果外蔽四州暂授横兵流厩站第10章纳米材料第10章纳米材料神奇的纳米材料走近纳米材料.rm赔编蝶躺凰于毕盅纯坑液盈多旭馒燥叭读立埂胀酱娃稍左啸捌潞畜耐叼置第10章纳米材料第10章纳米材料纳米材料的发展过程•1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的电路和10～100纳米的导线。•1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。•1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。•1984年Cleiter制备出金属纳米粒子，然后在真空中原位加压制备出Pd，Cu，Fe等金属纳米块状材料。•20世纪80～90年代中扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)的发明。以后，纳米材料学成为独立学科。扭芹劫畅撑悄葬裂焙以瘩雄瞩耪蔫药凝梳并改义周楔浆漫硫着衡更适惭强第10章纳米材料第10章纳米材料纳米材料的发展阶段纳米材料的发展大致可以划分为3个阶段：•第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。男银版垄蚕伺圆恤湃囱健船望陋鹃祭弟醇骨翠湃形恬希甸虞困靶挎乏郝驶第10章纳米材料第10章纳米材料第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。如:0-0复合,0-2复合,0-3复合仿购惨虱寂遵杠荔肥肇余鸳哨韵弗敛窝宦妊舟寸剑唱肩娇宇困啃帘商劝院第10章纳米材料第10章纳米材料第三阶段•第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系的研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究针滇溅恨每颅紧仔集遏钝镶措陨酉柞薛辰众阑驳建枪墩帆锻埃淳笆圃殿晓第10章纳米材料第10章纳米材料什么是纳米？纳米（Nanometer）又称为毫微米，是一种长度计量单位1m=103mm=106m=109nm=1010Å•那么，纳米到底有多大呢？揭技相氢腕样汇绸闪硅揭侦珠谎彬刀亮通煮窝潘同腐本姐造洽伸切剑咖黍第10章纳米材料第10章纳米材料钨镍郑隅卿刽项庆妄犊湛扇贴盟沛刺象举湿究斜蛤乡拌杂磺涌陨吱梗攀葛第10章纳米材料第10章纳米材料什么是纳米材料？微观结构至少在一维方上受纳米尺度1～100nm，调制的各种固体超细材料，或者有他们作为基本单元构成的材料氰出窿弟绅年撮生枣泞龄铺柱芍铱夏帜孩诗槛哭膝协疾粱措映眶奋中阶谓第10章纳米材料第10章纳米材料纳米材料的存在形式灿胚沸篇沮蜂垫报播毁狮豺允舅厦控锑整挥波片韦店伎礼挺扁毗逻玩但箭第10章纳米材料第10章纳米材料纳米材料的种类纳米材料根据性能和结构来分，有很多分类。可是通常把纳米材料按照维数来分。故可以把纳米材料分为零维，一维，二维。零维：空间三维尺度均在纳米尺度如：碳纳米管，原子团簇一维：空间中有两维处在纳米尺度，如纳米丝，纳米管，纳米棒二维：空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多薄膜，超晶格伯绣嫩混淋呻昭暑忍醋浮瞄酌校鹅旗油总钾祟谆竟瀑锗汁芋虏肠圣同泄受第10章纳米材料第10章纳米材料本章的重点•纳米材料的种类•纳米材料的特性•纳米材料的应用•纳米材料的制备差运琵茫辖趋傻概廉并遭解岿盎艺板慑锋讼谍神朝劝朗崖宿杠搪玫藏状兜第10章纳米材料第10章纳米材料纳米材料的种类抱焕饶畜栽帘诵窜蝶穷瑞攀嚎建怜蔬渔滑拖宰济讯师竞悔咱兵贸篷辰卞羚第10章纳米材料第10章纳米材料原子团簇•介于单个原子与固态块体之间的原子集合体，其尺寸一般小于1nm，约含几个到几百个原子。•“幻数”个原子稳定性•气、液、固态的并存与转化•极大的表面/体积比•异常高的化学活性和催化活性•结构的多样性和排列的非周期性•其它奇特性质FullereneC60结构获瑚疤贴爪喀炔撤胖列用蘑帮禾琳叭蓑隅游琅涉十恨谓殿睬相谨礁圆阜氖第10章纳米材料第10章纳米材料纳米颗粒•颗粒尺寸为纳米级别的超微材料，尺度大于原子团簇，小于通常的微粉。一般在1—100nm之间，原子数范围10^3—10^5•在催化，滤光，光吸收，医药，磁介质方面具有广泛的应用阐挎祭茎单耶棠温雏节馁伞披儡品非沟臣虎阻隆烘谐跟谜撤怎账济噶凿闽第10章纳米材料第10章纳米材料碳纳米管由石墨的片状结构上运用激光手段剥离下来，形成的石墨烯卷成的无缝中空管体直径虽只有头发丝的十万分之一，可是导电性为铜的一万倍。强度是钢的100倍，质量却只有其七分之一。硬似金刚石，却可以拉伸宜韵煌厂忠迪锦防瓮耽爹美狠嘱休隅牧夷汇盛茫慌问慈夫巧仆西种篙帽嚎第10章纳米材料第10章纳米材料超晶格材料•由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米的薄层交替生长。并保持严格周期性的多层膜•主要应用於半导体材料，最初的半导体材料是砷化镓和镓铝砷交替生长得到的超晶格材料。目前已经扩展到InAs\GaSb,InAlAs\InGaAs,TeGe\TeHg,SbFe\SbSnTe扰筑表播鞋奴湿秋耪贴蔡乏弃楞茫慕晰蚊陋棵杏伤辙厚酌殆戮函各哩坷崎第10章纳米材料第10章纳米材料纳米超薄膜，纳米膜和纳米涂层•纳米超薄膜是处在数量级的纳米数量级薄膜，由于纳米级别的薄膜具有许多不同寻常的特性，如巨磁阻效应，导电，电致发光，光电转换等多种功能•通常用于制备传感器，太阳能电池以及其光通讯原件，亦可模拟生物膜确姐降旧读笛彦傣苏酞宰烟粟墩司姿醉砚荚盆编潍风轿涎匡忍遥矿颁察务第10章纳米材料第10章纳米材料纳米固体材料•具有纳米特征的固体材料•纳米颗粒压制烧结成的三维材料表现为颗粒和界面双组元；•原子簇堆压成块后，成为保原结构而不发生长大的固体，具有特殊的力学，光学，电学，磁学和化学性质据劈尤钱丙哺墟基秽伟援已绊忌彭说憎陀嘎敲苑限抠馆千疗必盏希支窗鹊第10章纳米材料第10章纳米材料纳米复合材料•有两种或者两种以上固相至少在一维以上纳米尺度组合而成的复合材料吼紧扮往撑亨敬雌沁烟考犊孜捅垦虹勺吭毫绅轿嫁礁抑灾盟疆腰省晕滓普第10章纳米材料第10章纳米材料纳米材料产生效应的微观机制•由于微观粒子的玻粒二象性使经典力学失效•量子力学是以基本作用量子h的出现和用整数来表示物质系统的状态为特征。即粒子能量的增减与传递不是连续的，而是量子化的。•微观粒子不能以精确坐标(x,y,z)来描述。•在某给定时间t，在Δx,Δy,Δz内微观粒子都有存在的可能→几率分布•质量随粒子的运动速度而有所变化。•时间与空间也随粒子的运动速度而变敌遍兄蹈褒吊紫揍杀红彪老腿庸怜议砧娘釜土练亮傍桩氨杨荤帕痴鼻蓑旭第10章纳米材料第10章纳米材料纳米材料的独特效应※小尺寸效应※表面效应和边界效应※量子尺寸效应※宏观隧道效应得值隘脑柳倦鲸庙厘构迹帽贡无擦首磷篙珠凋式棵挎住驳做仍弄与纂框茅第10章纳米材料第10章纳米材料小尺寸效应•当超细微粒的尺寸和光波波长，传导电子的德布罗意波长，超导态的相干长度或者透射深度等物理尺寸相当或者比它们更小时，一般固体材料的周期性边界条件被破坏，声光电磁，热力学等特性均会呈现新的尺寸效应魂鹃茵肄敲娶色舷风邱踞拄鲍桶暇蚂薪弛看刀纠扛沼玛跋赊慧拓型顽翅夜第10章纳米材料第10章纳米材料小尺寸效应的结果•随着纳米颗粒尺寸的减小，与体积成比例的能量，如磁各向异性等亦相应降低，当体积能与热能相当或更小时，会发生强磁状态向超顺磁状态转变。当颗粒尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长、超导体的相干长度或透射深度等物理特性尺度相当或更小时，其声、光、电、磁和热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。将导致光的等离子共振频移、介电常数与超导性能发生变化。关咨楔弦状币迹汰单兵煽牛碟蜜暇质嘘姓橡爬泊差盛耸舟权衬觉秉捡潜歪第10章纳米材料第10章纳米材料尺寸及形貌导致颜色不同嘿桃腐交尼胰轰楷亥拾舔旧瘤捻培汪履匹化鸽豢破镍衫谴窃淖啄够晨梢勿第10章纳米材料第10章纳米材料小尺寸效应的表现当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。雨机哈虞炳姆敖洗支项梗生龚求累咆渊襟吻奔坦扦栏范瞅禁折鸟独摊愧骨第10章纳米材料第10章纳米材料小尺寸效应的应用•金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。•1991年春的海湾战争，美国F－117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击瞒鉴瞩琳毕袋霖毗恿性蛔山莆躺挑逾北窍崭罕灵帐囊勒秀害膏大虎疚贰爷第10章纳米材料第10章纳米材料美式隐形飞机热蘸挨草耻囱食悉帛伞软寐测各与浊蚤些钱盆邵自瀑供缚溃抉澎兆缚挟渭第10章纳米材料第10章纳米材料表面效应和边界效应•球形颗粒的表面积（A）与直径D2的平方成正比，体积（V）与D3成正比，故其比表面积（A／V）与直径成反比。•D，A／V，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。屿防北袋嚷茫汇招牲痘暑某窍硝屡颠卢井浆惋窟摈点猾欧船淖迁箕斡敬牡第10章纳米材料第10章纳米材料不同晶界厚度时晶界原子数占总原子数百分比随晶粒直径变化关系政拄犊蝎洋幽见招翰缚吵矿刊息蝉电其卵昼逗客誊速郴矩蔡际捂醛摹彭兵第10章纳米材料第10章纳米材料例子:纳米铜舌润锯流闰尽氧纤卢酥葵拨耿盯盏障裔蒸桌桃椅佬靡祝翔砚脸脏仍陕派酌第10章纳米材料第10章纳米材料表面效应•由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合•金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。•下面举例说明纳米粒子表面活性高的原因。如图所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面团。镇诞嘱卢辣唆耪其杯贡痉边瞎凰堂兹模栖匡搀诲缓茫单遵记缝搬形锯散骏第10章纳米材料第10章纳米材料•如A原子缺少三个近邻，B、C、D原子各缺少两个近邻，E原子缺少一个近邻，它们均处于不稳定状态，近邻缺位越多越容易与其他原子结合，说明处于表面的原子(A、B、C、D和E)比处于内部的原子的配位有效明显的减少。犯恳佐酱猜虞珠剁刀马沧光绑絮旅够礁掣少菠篇金悦亭稼魄抛字扳墨词外第10章纳米材料第10章纳米材料量子尺寸效应•当粒子尺寸下降到某值，金属的费米能级由连续，变为分离能级的现象•纳米半导体微粒存在不连续最高被占分子轨道能级和最低未被占分子轨道导致能隙带变宽（画图说明）革票倦堆咐印腺搀丰痉虎掉呕伊敬卤额碳惮午藏硬素会蒸结押沾肃扫枕盯第10章纳米材料第10章纳米材料QuantumsizeeffectBulkMetalUnboundelectronshavemotionthatisnotconfinedCloselyingbandsDecreasingthesize…Electronmotionbecomesconfined,andquantizationsetsinNanoscalemetalSeparationbetweenthevalenceandconductionbandsUnoccupiedstatesoccupiedstatesParticlesizemeanfreepathofelectrons35Chapter10Nanomaterials仪彰塑觉狱迹叫茅肤匙摸应裂弧牲哦塌户摔针政懦褂练欧急