纳米材料的制备、表征及其应用课件.ppt

一、纳米材料的简介一、纳米材料的简介二、纳米材料的制备二、纳米材料的制备三、纳米材料的表征三、纳米材料的表征四、纳米材料的应用四、纳米材料的应用五、结束语五、结束语纳米材料的制备、表征及其应用纳米材料的制备、表征及其应用1人高人高2020亿亿 纳纳米米100100万万 纳纳米米 针头针头红血球红血球分子及分子及DNADNA1 1千千 纳纳米米1 1 纳纳米米0.10.1 纳纳米米氢原子氢原子Earth 1.2 x 107 mIn Greek,“nano”means dwarf纳米是一个长度计量单位，纳米是一个长度计量单位，1 1纳米纳米 =10=10-9-9 米什么是纳米(nanometer)？2原子 分子 原子团簇 纳米粒子 纳米材料 宏观物体微观宏观3什么是纳米材料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(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺度4纳米纳米粉末粉末纳米纳米纤维纤维（管）（管）纳米纳米膜膜纳米纳米块块纳米材料的分类按结构零维一维二维三维5纳米粉末：纳米粉末：又称为又称为超微粉超微粉或或超细粉超细粉，一般指粒度，一般指粒度在在100100纳米以下纳米以下的粉末或颗粒，是一的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。

于中间物态的固体颗粒材料纳米铁粉纳米铜粉纳米铝粉6纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料二氧化钛纳米纤维的电子显微镜照片纳米纤维电镜照片7纳米膜分为纳米膜分为颗粒膜颗粒膜与与致密膜致密膜颗粒膜是纳米颗粒颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜致密粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜8纳米块：纳米块：是将纳米粉末高压成型或控制金属液体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料结晶而得到的纳米晶粒材料9纳米微粒的四大效应纳米微粒的四大效应（1 1）表面效应表面效应 （2 2）量子尺寸效应量子尺寸效应（3 3）小尺寸效应小尺寸效应 （4 4）宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应10（1 1 1 1）表面效应表面效应表面效应表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化而急剧增大后引起的性质上的变化而急剧增大后引起的性质上的变化。

而急剧增大后引起的性质上的变化Relationship between the ratio of the surface atoms to whole atoms and particle size尺寸小尺寸小表面大表面大活性高活性高 金属的纳米粒子在空气金属的纳米粒子在空气中会燃烧中会燃烧 无机材料的纳米粒子暴无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体并与露在大气中会吸附气体并与气体进行反应气体进行反应11（2 2 2 2）量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应 当粒子尺寸极小时，费米能级附近当粒子尺寸极小时，费米能级附近当粒子尺寸极小时，费米能级附近当粒子尺寸极小时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象12（3 3 3 3）小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超当纳米粒子尺寸与德布罗意波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，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，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，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，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁（子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁（子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁（子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁（强磁强磁状态向超顺磁状态转变）状态向超顺磁状态转变）、光、声、热力学等性质的变化，、光、声、热力学等性质的变化，、光、声、热力学等性质的变化，、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。

这称为小尺寸效应这称为小尺寸效应这称为小尺寸效应13（4 4 4 4）宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子具有微观粒子具有微观粒子具有微观粒子具有穿越势垒的能力穿越势垒的能力穿越势垒的能力穿越势垒的能力称为隧道效应称为隧道效应称为隧道效应称为隧道效应14纳米科技的科学意义纳米科技的科学意义（1 1）纳米科技将促使人类认知的革命）纳米科技将促使人类认知的革命;（2 2）纳米科技将引发一场新的工业革命）纳米科技将引发一场新的工业革命;（3 3）纳米科技是一门综合性的交叉学科）纳米科技是一门综合性的交叉学科.师昌绪院士为国家自然科学基金资助纳米科技研究成师昌绪院士为国家自然科学基金资助纳米科技研究成果展览题词果展览题词 15Nanofibres16Nanobelt/nanoribbonZnOSCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001ZnOMaterials Letters 59(2005)1696170017Nano peapodhigh-resolution,low-temperature scanning tunneling microscope(STM)(Science-1 February 2002)18Nano ringsJACS 200519Nano-flowers中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系Ag/SiOxAg/SiOx微米级的内核微米级的内核/壳层结构上成功地获得壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。

了三角格子铺排和斐波纳契数花样研究内容以研究内容以ReportReport形式于形式于20052005年年8 8月月5 5日发表在日发表在ScienceScience上文章发表后在国际上引起了强烈的上文章发表后在国际上引起了强烈的反响Nanotechweb Nanotechweb 和和 ORF ON ScienceORF ON Science网站当网站当天就分别以天就分别以“应变的微结构形成类植物花样应变的微结构形成类植物花样”和和“微观世界的花朵微观世界的花朵”作了长篇介绍作了长篇介绍20纳米微粒的制备方法分类：纳米微粒的制备方法分类：根据是否发生化学反应，纳米微粒的制备方法通常分为两大类：物理方法和化学方法物理方法和化学方法根据制备状态的不同，制备纳米微粒的方法可以分为气相法、液相法和固相法气相法、液相法和固相法等;按反应物状态分为干法和湿法干法和湿法大部分方法具有粒径均匀，粒度可控，操作简单等优点；有的也存在可生产材料范围较窄，反应条件较苛刻，如高温高压、真空等缺点纳米微粒的制备纳米微粒的制备21纳纳米米粒粒子子制制备备方方法法物理法物理法化学法化学法粉碎法粉碎法构筑法构筑法沉淀法沉淀法水热法水热法溶胶凝胶法溶胶凝胶法冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾法喷雾法干式粉碎干式粉碎湿式粉碎湿式粉碎气体冷凝法气体冷凝法溅射法溅射法氢电弧等离子体法氢电弧等离子体法共沉淀法共沉淀法均相沉淀法均相沉淀法水解沉淀法水解沉淀法纳纳米米粒粒子子制制备备方方法法分分类类气相反应法气相反应法液相反应法液相反应法气相分解法气相分解法气相合成法气相合成法气固反应法气固反应法其它方法其它方法(如球磨法如球磨法)22纳纳米米粒粒子子制制备备方方法法气相法气相法液相法液相法沉淀法沉淀法水热法水热法溶胶凝胶法溶胶凝胶法冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾法喷雾法气体冷凝法气体冷凝法氢电弧等离子体法氢电弧等离子体法溅射法溅射法真空沉积法真空沉积法加热蒸发法加热蒸发法混合等离子体法混合等离子体法共沉淀法共沉淀法化合物沉淀法化合物沉淀法水解沉淀法水解沉淀法纳纳米米粒粒子子制制备备方方法法分分类类固相法固相法粉碎法粉碎法干式粉碎干式粉碎湿式粉碎湿式粉碎化学气相反应法化学气相反应法气相分解法气相分解法气相合成法气相合成法气固反应法气固反应法物理气相法物理气相法热分解法热分解法其它方法其它方法固相反应法固相反应法23物理方法粉碎法物理方法粉碎法几种典型的粉碎技术：几种典型的粉碎技术：球磨、振动球磨、振动球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉碎气流磨纳米气流粉碎气流磨 一般的粉碎作用力一般的粉碎作用力都是几种力的组合，都是几种力的组合，大大物块被粉碎成纳米级颗物块被粉碎成纳米级颗粒。

粒24构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子物理方法构筑法物理方法构筑法25物理构筑物理构筑流动液面上真空蒸度法流动液面上真空蒸度法 26*27 化学法主要是化学法主要是“自下而上自下而上”的方法，即是通过适当的方法，即是通过适当的化学反应（化学反应中物质之间的原子必然进行组排，的化学反应（化学反应中物质之间的原子必然进行组排，这种过程决定物质的存在状态），包括液相、气相和固这种过程决定物质的存在状态），包括液相、气相和固相反应，从分子、原子出发制备纳米颗粒物质化学法相反应，从分子、原子出发制备纳米颗粒物质化学法包括气相反应法和液相反应法包括气相反应法和液相反应法气相反应法可分为：气相分解法、气相合成法及气固气相反应法可分为：气相分解法、气相合成法及气固 反应法等反应法等 液相反应法可分为：沉淀法、溶剂热法、溶胶凝胶法、液相反应法可分为：沉淀法、溶剂热法、溶胶凝胶法、反相胶束法等反相胶束法等化学合成方法化学合成方法28又称单一化合物热分解法一般是将待分解的化合物或经又称单一化合物热分解法一般是将待分解的化合物或经前期预处理的中间化合物行加热、蒸发、分解，得到目标前期预处理的中间化合物行加热、蒸发、分解，得到目标物质的纳米粒子。

一般的反应形式为：物质的纳米粒子一般的反应形式为：A A（气）（气）B B（固）（固）C C（气）（气）化学方法气相分解法化学方法气相分解法原料通常是易挥发、原料通常是易挥发、蒸汽压高、反应性蒸汽压高、反应性好的有机硅、金属好的有机硅、金属氯化物或其它化合氯化物或其它化合物Fe(CO)5(g)Fe(s)+5CO(g)SiH4(g)Si(s)+2H2(g)3Si(NH)2 Si3N4(s)+2NH3(g)(CH3)4Si SiC(s)+6H2(g)2Si(OH)4 2SiO2(s)+4H2O(g)29通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成为相应的化合物，再经过温下合成为相应的化合物，再经过快速冷凝快速冷凝，从而制，从而制备各类物质的纳米粒子一般的反应形式为：备各类物质的纳米粒子一般的反应形式为：A A（气）（气）B B（气）（气）C C（固）（固）D D（气）（气）激光诱激光诱导气相导气相反应反应化学方法气相合成法化学方法气相合成法3SiH4(g)+4NH3(g)Si3H4(s)+12H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g)2。