纳米材料讲课文档.ppt

纳米材料第一页，共一百六十三页DefinitionNanomaterialsmaterials having at least one spatial dimension in the size range 1100 nm.纳米材料显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm100nm）调制的各种固体超细材料，或由它们作为基本单元构成的材料2第二页，共一百六十三页纳米材料的发展纳米材料的发展 最早的纳米材料：中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡中国古代的墨及染料1857年，法拉第制备出金纳米颗粒1861年，胶体化学的的建立1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化 上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究1985年，发现了C601990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程3第三页，共一百六十三页。

世界范围的政府对纳米技术研究开发的经费投入（单位：百万美元） 来源:M.C.Roco,International Union of Material Meeting 8,28,2001)*: 其他国家（地区）包括澳大利亚，加拿大，中国，韩国，新加坡，中国台湾，FSU及其从事纳米技术研究的国家年地域 199719981999200020012002西欧126151179200225日本120135157245550美国116190255270422519其他国家（地区）*708396110380总计（占1997年的%）432100%559129%687159%825191%1577365%第四页，共一百六十三页纳米科技国内形势国家重点基础研究发展规划973项目 2000年：纳米材料和纳米结构 2002年：（1）纳电子运算器材料表征与性 能基础研究 （2）量子通信与量子信息技术 第五页，共一百六十三页国家在各研究方向投资分布 研究方向名称项目数投资数A:纳米材料3119764万B;纳米器件386516万C:纳米生物461686万D:纳米表征和性能951895万E:纳米理论321052万F:纳米产业178800万（地方和企业的配套投入为121264万）G:国防科工委项目7360万H:学术交流4413万第六页，共一百六十三页。

第一阶段（1990年以前）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，探索纳米材料不同于常规材料的性能第二阶段（1994年以前） 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，设计纳米复合材料第三阶段（1994至现在） 纳米组装体系7第七页，共一百六十三页6.1.1 纳米科技纳米科技 纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（10-1010-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质纳米科技是研究由尺寸0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术 纳米科技主要包括：纳米体系物理学；纳米化学；纳米材料学；纳米生物学；纳米电子学；纳米加工学；纳米力学 第一节纳米科技及纳米材料应用进展第八页，共一百六十三页9二维指在空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜等按照维数划分零维指在空间三维方向均为纳米尺度的颗粒、原子团簇等一维指在空间有二维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等第一节纳米科技及纳米材料应用进展第九页，共一百六十三页。

6.1.2 纳米材料的种类纳米材料的种类 纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系按材料的性质、结构、性能可有不同的分类方法1.纳米微粒纳米微粒纳米微粒是指线度处于1100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称纳米微粒的形态并不限于球形、还有片形、棒状、针状、星状、网状等一般认为，微观粒子聚合体的线度小于1nm时，称为簇，而通常所说的微粉的线度又在微米级纳米微粒的线度恰好处于这两者之间，故又被称作超微粒第一节纳米科技及纳米材料应用进展第十页，共一百六十三页纳米颗粒nanoparticles纳米颗粒：尺寸为纳米量级的超微颗粒比表面积远大于块体材料导致其电子状态发生突变产生各种纳米效应11第十一页，共一百六十三页12TEM Images of Au Nanoparticles第十二页，共一百六十三页纳米材料nanostructures13第十三页，共一百六十三页2.2.纳米固体纳米固体 纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料这几种形态的纳米固体又称作为纳米结构材料。

第一节纳米科技及纳米材料应用进展第十四页，共一百六十三页纳米固体材料原子团簇堆压成块体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体由原子团簇堆压成的纳米金属材料具有很大的强度和稳定性，以及很强的导电能力，这类材料存在大量晶界，呈现出特殊的机械、电、磁、光和化学性质15第十五页，共一百六十三页Net shape forming via consolidated nanoparticles16第十六页，共一百六十三页纳米超薄膜、纳米薄膜与纳米涂层 Nano ultra-thin films, Nano-films and Nano-coating纳米超薄膜（ Nano ultra-thin films）膜厚处在纳米数量级的薄膜属于二维纳米材料纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或多层膜17第十七页，共一百六十三页纳米膜材料18第十八页，共一百六十三页纳米复合材料（Nanocomposites）纳米复合材料由两种或两种以上的固相至少在一维上以纳米尺度复合而成的复合材料较常用的分散相有纳米颗粒、纳米晶须、纳米晶片、纳米纤维等基体材料（连续相）可以是金属、无机非金属和有机高分子，可以同样是纳米级的，也可以是常规材料。

19第十九页，共一百六十三页3.3.纳米组装体系纳米组装体系 由人工组装合成的纳米结构的 体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题 第一节纳米科技及纳米材料应用进展第二十页，共一百六十三页6.1.3 纳米材料的特异性能纳米材料的特异性能纳米效应小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应纳米材料的特殊性质当粒子的尺寸减小到纳米量级，由于纳米效应而导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性21第二十一页，共一百六十三页纳米效应nano effects1.小尺寸效应（Small size effect）当超微粒子的尺寸与光波波长、 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，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应22第二十二页，共一百六十三页超细粉体按颗粒尺寸进行分类超细粉体按颗粒尺寸进行分类分类直径原子数目表面效应 特征微米 1 m 1011 -体效应亚微米1m 100 nm 108 有一定的体效应纳 米100-10 nm10-1 nm 105 103 显著表面原子占优势小尺寸效应表面效应 量子效应第二十三页，共一百六十三页。

一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例粒径粒径（nm）总原子数总原子数表面原子（表面原子（%）100001006000006103000020540004022508013099第二十四页，共一百六十三页第一节纳米科技及纳米材料应用进展2 2表面效应表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例随着粒径减小，表面原子数迅速增加，这是由于粒径小，表面急剧变大所致当直径小于100nm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g纳米颗粒表面的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略 在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后这种颗粒结构的不稳定性才消失，并进入相对稳定的状态 第二十五页，共一百六十三页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化学活性，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化学活性，催化活性，吸附活性催化活性，吸附活性纳米粒子尺寸纳米粒子尺寸d(nm)d(nm)包含总原子数包含总原子数N N表面原子所占比例表面原子所占比例 (%)(%)101030,00030,00020204 44,0004,00040402 225025080801 130309999第二十六页，共一百六十三页。

3.量子尺寸效应 Quantum size effect当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及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，这些能隙变宽现象均称为量子尺寸效应当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同27第二十七页，共一百六十三页Quantum size effectBulk MetalUnbound electrons have motion that is not confinedClose lying bandsDecreasing the sizeElectron motion becomes confined, and quantization sets inNanoscale metalSeparation between the valence and conduction bandsUnoccupied statesoccupied statesParticle size mean free path of electrons28第二十八页，共一百六十三页。

量子效应第二十九页，共一百六十三页4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏观量子隧道效应 在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作30第三十页，共一百六十三页第一节纳米科技及纳米材料应用进展纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观量子隧道效应例如磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，即由铁磁性变为顺磁性或软磁性量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须考虑上述的量子效应 第三十一页，共一百六十三页量子效应第三十二页，共一百六十三页1）光学性质33纳米颗粒的表面效应和量子尺寸效应对其光学特性有很大的影响主要表现宽频带强吸收大的比表面导致了平均配。