摘要：ZnO作为一种重要的宽带隙半导体材料，具有较好的光学性能。ZnO纳米带以其统一的几何尺寸，较少的线缺陷，作为特殊的纳米材料，展现了其独特的性质。本文综述了ZnO纳米带的制备方法，掺杂不同物质对其光学性能的影响，也对当前对ZnO纳米技术的研究与应用做了简要介绍，并对其今后的研究进行了相应的展望。
关键词：ZnO纳米带光学性质
Abstract：ZnO is an important wide band gap semiconductor material with special optical properties. ZnO nanobelts with its uniform geometry, less linear defects, as the special nanomaterial, demonstrated its unique character. This paper reviews the methods of synthesizing ZnO nanobelts, doped optical properties of different substances to their different effects, but also on the current of the ZnO nanotechnology research and application of a brief introduction, and the future prospects for research accordingly.
Key words：ZnO nanobelts optical properties
1 引言
ZnO是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，室温下的带隙宽度为3.37eV，具有较高的激子束缚能(～60meV)，保证其室温下紫外激光发射[1]。ZnO作为一种继GaN蓝光二极管诞生以来倍受瞩目的宽禁带直接带隙半导体，在紫外、蓝绿、黄红等波段都观察到光发射现象[2]。1990年，日本科学家Iijima发现了碳纳米管，这种一维的纳米结构显示出了优异的电学和机械性质[3]。通过对其不同纳米结构的研究，引发了人们对一维纳米结构的研究热潮。现在可通过气相法、水热法、溅射法[4]、共沉积法、热蒸发法[5]、喷雾热解法[6]等方法，能制备出ZnO纳米棒、纳米线、纳米管、纳米带等一维纳米结构[7]。ZnO纳米带自从2001年首次被合成以来，便引起了科学界广泛的关注，被称为继碳纳米管后的又一重大发现。对于准一维的ZnO纳米带，其结构与一维的纳米线不同，因此产生的量子效应也不同。为了进一步改善ZnO纳米材料的性能,我们通常采用第III、IV和V族元素等进行掺杂。本文综述了ZnO纳米带中参杂In、Sn等物质对光学性能的影响，ZnO纳米带的相关应用并对其前景进行展望。
2 ZnO纳米带的制备
ZnO纳米带作为一种研究和应用前景非常好的材料，其制备方法有很多，目前主要有气相法、水热法、磁控溅射法、热氧化法、喷雾热解法等方法。
2.1 气相法
2001年王中林教授研究小组首次通过热蒸发法制备出ZnO、SnO、In2O3和CdO纳米带[8]。在ZnO的制备过程中没有使用任何催化剂，把纯度99.9﹪的ZnO粉末放在Al2O3管中，再把A1203管放置在石英管炉子中
进行加热。温度控制在1400℃，蒸发时间2h，在常压下通入氩气，氩气的气压为300Torr，流速为50cm3·min-1。将蒸发的产物沉积到放置在Al2O3管末端的Al2O3片上，呈白色羊毛状。他们通过SEM观察，发现产物中包含大量的线状纳米结构，长度从几十到几百微米。又通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱（EDS）分析证实产物为纤锌矿结构的ZnO。通过透射电子显微镜（TEM）图像显示了这种ZnO纳米结构呈带状，沿长度方向具有一致的宽度，其横截面呈矩形，宽度为10～30nm，宽厚比大约为5，如图1所示为ZnO纳米带的TEM图像。通过高分辨率电子显微镜（HRTEM）图像和电子衍射分析，发现ZnO纳米带具有均匀的单晶结构，纳米带表面非常干净，几乎没有缺陷和断层。他们等认为气-固生长模式（V-S）比较适合ZnO纳米带的生长，即在高温区域ZnO粉末蒸发形成气体，到低温区域后直接沉积到基底上长成了带状的结构。由于纳米带的规则几何形状和极少的缺陷以及ZnO的优良性质，王中林教授等预言ZnO纳米带是研究低维的输运现象和制作功能器件的理想材料。
图1 ZnO纳米带的TEM图片[8]
2002年Jun Zhang等人同样利用化学气相沉积的方法制备了ZnO纳米带[9]。实验方法和装置与王中林教授等人采用的相同，但不同的是，Jun Zhang等人利用ZnC12作为原料，通入的氩气中混合了氧气，使实验温度降到了700℃，得到的产物(ZnO纳米带)长度从几十到几百微米，有的甚至达到毫米量级，宽度从几十到几百纳米，宽厚比值为2～10。他们通过TEM和HRTEM观察发现，与王中林教授等的结果是一致的，ZnO纳米带表面也是均匀无缺陷。他们对ZnO纳米带作进一步研究，通过观察ZnO纳米带的光致发光谱（PL）和激发谱发现，ZnO具有很强的绿光发射[4]。
2005年，Huang等人以ZnCu2合金为Zn源，以0.1mm直径的ZnCu2合金丝为衬底，通过Zn蒸汽与水蒸气反应制备了不同形貌特征的ZnO 纳米带[10]。反应温度为900℃，将N2经过水浴后导入管式炉。当N2流量为150 cm3·min-1、水浴温度20℃时，沉积产物为纳米带；当N2流量为300 cm3·min-1、水浴温度30℃时，沉积产物为一侧带齿的纳米带。
2.2水热法
相对于热蒸发和化学气相沉积等气相方法需要高温和昂贵的实验仪器，水热法就显得简单易行，它只需要相对低的温度和简单的实验条件。
奚伊等人采用水热法成功合成了ZnO纳米带，他们用14.87g的
Zn (NO3)2·6H2O，40g的NaOH及一些去离子水配制成100mL碱性溶液，而且注意，其中[Zn2+]=0.5mol·L-1，[OH-]=10.0 mol·L-1，它们的摩尔比为1∶20[11]。取锌的碱性溶液3ml，加入到0.0～5.0ml去离子水和25.0～30.0mL的无水乙醇的溶液中，再加入5.0～6.0mL的亚乙基二酰胺(简称乙二胺: EDA), 其中Zn2+与EDA的摩尔比为1∶50～1∶60，然后对溶
液进行超声20～40min 。将上面配制好的生长溶液转到Teflon （特富龙）中，然后放入温度为150℃的烤箱中加热20h 之后取出，自然冷却至室温。用离心机离心分离5min ，将上面的溶液倒出，然后用无水乙醇和去离子水对剩余的白色晶粒沉淀进行清洗，最后将其烤干收集，得到白色粉末，对其进行X 射线衍射（XRD ）测试，如图2所示为ZnO 纳米带的XRD 图像。同样，他们对产物又进行了SEM 测试，如图3为ZnO 纳米带的扫瞄式电子显微镜（SEM ）图像。该ZnO 纳米带长约为50μm ，宽约为50～300nm 。他们指出，生长ZnO 纳米带时最关键的因素是温度，并给出了其生长示意图，如图4所示。
图2 ZnO 纳米带的XRD 谱图[11] 图3 ZnO 纳米带的SEM 图片[11]
图4 ZnO 纳米带生长示意图[11] 2004年Zhang 等人也通过水热法制备出了ZnO 纳米带。他们在实验
ZnOH +
Zn(OH)2
Zn(OH)3-
Zn(OH)42-
ZnO
ZnO
中加入了尿素作为模板来控制纳米带的成核和生长，并将一定量的ZnSO4和尿素溶液放人聚四氟乙烯制作的高压釜中，再加入一定的NaOH溶液，使pH值达到14[12]。将配好的溶液放入烤箱中，在160℃条件下烘烤12h，最后取出清洗、干燥，得到的白色产物就是ZnO纳米带。再通过TEM图像发现，ZnO纳米带沿长度方向具有统一的宽度，其宽度和厚度分别为20～400nm和10～20nm，较长的纳米带长度达到了几微米。HRTEM图形显示，纳米带表面结构均匀，没有明显的缺陷，这一性质与通过气相方法制备的纳米带是一致的。
2005年，Gui等人通过Zn(CH3CO2)2和肼的水溶液发生水热反应制备了ZnO纳米带，然后将ZnO纳米带在空气气氛下经500加热保温3h，经扩散可形成了多孔的ZnO纳米带[13]。
2.3磁控溅射法
2005年Choopun等人通过物理的方法—射频磁控溅射法成功地合成出ZnO纳米带[14]。在实验中，ZnO纳米带产物沉积在Cu基底上，Cu 在纳米结构的生长过程中发挥了很重要的作用。基底没有预先加热，没有氧气存在，用99.9﹪的ZnO粉末作为靶材，溅射室内气压抽至133.322×10-5 Pa，射频功率300W，溅射时间60min。他们指出，在一般情况下，用溅射法制备的ZnO薄膜都是透明的，而他们通过采用上述方法得到的ZnO薄膜呈白色，这说明了ZnO纳米结构存在。再通过TEM可以发现，得到的ZnO纳米结构为单晶的纳米带，其宽度约50nm，厚度10nm左右，而长度达到几微米，用这种方法同样可以制成ZnO纳米带。
2.4热氧化法
任山等人利用金原子催化作用[15]，在锌的熔点以下用低温氧化的方法制备出了ZnO纳米带，选取纯度为99.9%的锌块用砂纸磨光，然后
按顺序研磨金相砂纸，磨完以后放到稀盐酸溶液清洗，然后用去离子水冲洗，并浸在无水乙醇中超声清洗5min，取出用去离子水清洗，吹干表面。然后再采用PELCO SC-7仪器进行镀金，而且他们强调，要保证镀金电流为10mA。然后把镀金好的样品放置于瓷舟中，把该瓷舟置于管式炉中加热，温度为400℃，时间为2h，气氛为空气。反应完成后,取出样品，快速冷却到室温。通过这种方法制备出的产物如图5所示为其SEM形貌图，长度在6到8 m之间，厚度大约为40nm。
图5 合成的ZnO纳米带SEM形貌图[15]
3ZnO纳米带的光学性能
ZnO纳米带的结构呈带状，几何规则，较少的线性缺陷，具有良好的光学性能，但若在前驱物中加入异种元素，一方面可以改变ZnO一维纳米结构的形貌，另一方面也可能实现ZnO半导体中有目的的掺杂，从而改变ZnO的光学、电学和磁学等性能。以下综述了纯ZnO纳米带以及Sn、In等物质掺杂对ZnO纳米带光学性能的影响。
3.1无掺杂ZnO纳米带的光学性能
任山等人通过热氧化法合成了ZnO纳米带[15]，并对其光学性能进行研
究，他们采用PL发光测量系统来表征（R IGAKU UV5560）ZnO纳米带的光致发光谱（PL）性质，其中的激发波长为325nm。图6所示为镀金2min的样品的PL光谱图，可以看到两个主要的峰。通过研究观察，他们发现紫外区的峰对应于ZnO本征激子的发射，而位于绿光波段的峰是由氧空位缺陷产生的发射，这是由于所合成的ZnO纳米带中缺陷所形成的发光中心。
图6 ZnO纳米带的PL光谱图[15]
3.2 掺杂一维ZnO纳米带的光学性能
3.2.1Sn掺杂ZnO纳米带
陈红升等人采用碳热还原气相反应沉积法，通过控制反应沉积装置的温度、气氛和沉积时间等制备Sn掺杂ZnO纳米带[16]。利用HITACHIF-4500型荧光光谱仪测试所得样品的光致发光性能，以氙灯为激发光源，激发波长325nm，获得了室温下的光致发光谱。所获产物的XRD图谱如图7所示。对照标准衍射谱进行标定，所有主要衍射峰与六方纤锌矿结构的氧化锌的衍射图谱相一致(JCPDS 75-576)，点阵常数a=0.3242nm，c=0.5194，未发现其他物质的衍射谱峰存在。由XRD分析可知，产物中没有生成锡的化合物，表明锡掺杂进入了氧化锌的点阵
位置，形成单晶结构，获得Sn掺杂ZnO纳米带。
图7 Sn掺杂ZnO纳米带的XRD谱[16]图8 Sn/ZnO纳米带的室温光致发光谱[16]图8是室温下Sn/ZnO纳米带的光致发光谱(PL)，采用的光激发波长为325nm。从谱图中可以看出，Sn掺杂氧化锌纳米带存在强的绿光发射谱峰和较弱的紫外发射谱峰两个发射峰，光致发光谱峰峰位中心分别处于494.8nm和398.4nm，图8左上角插图对应纳米带的紫外发光谱峰。近紫外发射峰起源于宽带隙(3.37eV)氧化锌的近带边激子跃迁，ZnO作为直接宽带隙半导体氧化物，激子结合能较高(～60meV)，因而可以在室温下观察到紫外发射的现象。
从陈红升等人研究的室温下测试Sn/ZnO纳米带的光致发光谱，表明了紫外发射谱峰位于398.4nm处，绿光发射峰位于494.8nm处，他们认为，实验使用的工艺条件以及具有较小离子半径、较大电荷密度锡元素的掺入，导致纳米带中产生较多的缺陷如锌空位、氧空位及间隙原子等，从而使得紫外发光峰减弱，绿光发射谱峰增强，半高宽明显增大。而掺杂元素的掺杂量对氧化锌纳米带性能的影响有待于进一步研究，这对于促进ZnO一维纳米材料在微纳米尺度功能器件方面的应用具有重要的意义。
2009年，郭佳林等人采用热蒸发法制备了单晶Sn掺杂ZnO纳米带，并采用HITACHIF F-4500型荧光光谱仪在室温条件下测试了样品的光致发光性能(以氙灯为激发光源,激发波长为325nm) [17]。如图9所示为Sn/ZnO纳米带的SEM图谱，掺杂合成的纳米带的厚度大部分在100nm 以下,纳米带的宽度从几百纳米到几微米，具有很大的宽厚比。
图9Sn掺杂ZnO纳米带的SEM图谱图10Sn掺杂ZnO纳米带的室温光致发光谱
如图10是在室温下测试了样品的光致发光谱(PL)，其中采用的激发波长为325nm。Sn掺杂ZnO纳米带在445.8nm(2.79eV)处存在一个蓝光发光峰,并没有观测到激子发光峰。一般情况下只有在缺陷很少时才能观测到激子发光，本文中的样品在高温(600℃)时快速取出的，相当于对样品进行了淬火，使得高温状态下的缺陷保留了下来，所以样品中存在较多的缺陷，从而造成了激子湮灭。郭佳林等人在实验中观测到的445.8nm发光峰与从V o的浅施主能级到价带顶的能隙宽度符合得很好。因此，他们认为445.8nm处的发光峰可能来源于从V o的浅施主能级到价带顶的跃迁。他们还通过控制生长条件制备出不同掺杂含量的Sn掺杂ZnO纳米带，它们的发光峰与图10相接近，只有蓝光发射峰出现，且并未观察到紫外发射峰，而且Sn的掺杂含量对蓝光发光峰的影响并不明显。
3.2.2In掺杂ZnO纳米带
与已报道的由ZnO和In2O3粉合成的In掺杂ZnO极性纳米带相比[18,19]，卢会清等人合成的ZnO纳米带宽度约大于他们的4倍，如图11所示为卢会清等人合成的In/ZnO纳米带的SEM图[20]。为了更好的比较，他们又合成了ZnO纳米线，这些ZnO纳米线除未添加金属In外，其它合成条件都与In/ZnO纳米带相同。如图12所示的为室温下的光致发光谱，ZnO纳米线的发光谱是有两个发光峰组成，一个是近带边发射峰，其位于383nm来自自由激子辐射复合；另一个发光峰位于496nm，通常认为是由于单价氧空位中的电子与价带中空穴的复合。前者与后者的发光积分强度比约4.5∶1。而In掺杂的ZnO纳米带具有相似的发光积分强度比约1∶5，与ZnO纳米线相比，纳米带的紫外峰相对强度明显降低，且绿光发射带展宽，可能是由于重掺杂In所导致的同时In的重掺杂将产生更多的氧空位缺陷，使绿光发射增强。
图11In/ZnO纳米带的SEM图[20]图12 In掺杂的ZnO纳米带与未杂的ZnO
纳米线的室温光致发光谱[20] In掺杂的ZnO纳米带的可见发光明显比无掺杂的ZnO纳米线增强，这可能是由于In的重掺杂导致晶格扭曲而产生一些与可见光相关的缺陷。
3.2.3Ga和Sb掺杂ZnO纳米带
张跃小组也对ZnO纳米带进行了掺杂研究，他们通过掺杂Ga和Sb （锑）等物质，研究掺杂后ZnO纳米带的拉曼光谱[21]。如图13和图14所示，和纯ZnO纳米材料相比，Ga的掺杂导致A1（LO）峰位红移了5cm-1，而Sb的掺杂导致了在761cm-1出现了新的掺杂峰。
图13Ga掺杂ZnO纳米带拉曼光谱[21]图14Sb掺杂ZnO纳米带拉曼光谱[21]
4ZnO纳米带的应用
ZnO纳米材料是一种非常重要的半导体材料，它具有很宽的直接带隙(3.37eV)和很大的激子结合能(～60meV)，以及良好的压电性、气敏性等。块体和薄膜ZnO材料被广泛地研究，并在场发射、太阳能电池、化学传感器及其他方面有广泛的应用。而形状为带状的ZnO纳米带以其统一的几何尺寸，较少的线性缺陷，同样具有很重要的应用前景，下面主要综述了其光学性能方面的应用。
4.1ZnO纳米带激光器
2003年Yan等对用ZnO纳米带制成的纳米激光器做了系统的研究[22]。他们将制备好的ZnO纳米带用超声分散，沉积到蓝宝石基底上，用飞秒激光器作为激发源观察了纳米带的光致发光。图15为ZnO纳米带光致发光谱图，反映了在不同的激发强度下，纳米带紫外发射的情况。
Yan等指出，随着激发强度的增加，发射特征峰变窄并增强，说明发生了由自发辐射向受激辐射的转变。更多的谐振模式也随激发强度的增强而出现。
同样，2004年Kazuki Bando等也对ZnO纳米带纳米激光器做了报道[23]。他们将ZnO纳米带首先进行退火处理，然后利用超声切割成约10μm 长、2μm宽、100nm厚(如图16中插图所示)，并分别用连续波长激光和不同强度的脉冲激光作为激发源，其纳米带光致发光谱如图16所示。
图15ZnO纳米带紫外发射光谱[22] 图16ZnO纳米带在不同激发强度下的发射光谱[23] Kazuki Bando等认为ZnO纳米带自身构成了一个光学谐振腔，纳米带的两个端面作为谐振腔的发射镜，受激辐射产生的光子在纳米带内部经过选模放大，最后发射出来。与Yan等的观察结果不同的是，Kazuki Bando等发现纳米带的两端和侧面都有激光发射出来，他们解释为由于纳米带表面的粗糙，使激光发散出来，并同样以法布里—柏罗谐振腔为模型推导出激光谐振模式能量间隔与纳米带长度成反比[3]‘；。
4.2抗菌机理
纳米ZnO具有很高的光催化活性，是一种光催化半导体抗菌剂。作为一种半导体，ZnO是直接跃迁、宽禁带半导体材料( E g=3.37eV)[24]，相当于波长为368nm光子的能量[25,26]，有较高的激子束缚能(～60meV)，当能量大于或等于能隙的光(h ≥E g)照射时，纳米ZnO吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，自行分解出自由移动的带负电的电子(e－)，同时留下带正电的空穴(h+)，形成空穴-电子对，空穴可以激活氧和氢氧根，使吸附于其上的水和空气变成活性的氧和氢氧根，它们具有很强的氧化还原作用，损伤细菌的细胞膜而产生杀灭细菌的作用。
5前景展望
目前，对ZnO纳米带的研究，主要是进一步研究开发更简单的合成方法，研究其特殊结构以并发现其特殊性能，来合成新型纳米材料等。而对其中大部分只是研究在室温下的光谱，随着技术的发展，慢慢地会拓展到其它温度，甚至会近似到更低的范围。迄今，人们根据ZnO纳米带独特的准一维结构、规则的外形、极少的线性缺陷以其优良的光学性能，已经利用ZnO纳米带材料制成激光器等光学仪器了。同样，ZnO 纳米带又具有优良的电学性质和很好的生物可溶性，使其在纳米电子器件制作中和生物医学方面都有多方面的应用。ZnO纳米带的研究应用前景非常广阔，它不只限于光学性能的研究，其电学、声学等方面都有很广的研究空间，能在工业、科技、军事等领域起到很重要的作用。
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致谢
在老师的指导下，我顺利完成了本次论文，通过本次论文，我进一步学习了如何查阅文献资料和了解当今研究热点ZnO纳米带的相关性质，掌握了综述论文的书写格式和要求，进一步规范了我的论文写作。本次论文能顺利完成，要多些张老师的耐心指导，张老师学识渊博，待人和蔼，非常负责。在此，我要感谢我的指导老师，谢谢您！
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
超细微粒、超细粉末，这些其实都是纳米材料的别称。它具有自己的一些性能特点，同时应用范围较广，例如生物医药、能源环保、化工等等行业。本文就给大家详细介绍一下。 一、应用 由于纳米颗粒粉体具有电、磁、热、光、敏感特性和表面稳定性等性能，显著不同于通常颗粒，故其具有广泛的应用前景。经过多年探索研究，已经在物理、化学、材料、生物、医学、环境、塑料、造纸、建材、纺织等许多领域获得广泛应用。下面为大家例举几个纳米材料的应用实例。 （1）纳米材料的用途十分的广泛，比如目前在许多医药领域使用了纳米技术，这样能使药品生产非常的精细，它直接利用原子或者分子的排布制造一些有特殊功能的药品。由于纳米材料所使用的颗粒比较小，所以这种药品在人体内的传输是相当方便的，有些药品会采用多层纳米粒子包裹，这种智能药物到人体后可直接并攻击癌细胞或者对有损伤的组织进行修复。纳米技术也可以用来监测诊少量血液，通过对人体中的蛋白质的分析诊断出许多种疾病。 （2）在家电方面，选用那么材料制成的产品有许多的特性，如具有抗菌性、防腐抗紫外线防老化等的作用。在电子工业方面应用那么材料技术可以从扩大其
产品的存储容量，目前是普通材料上千倍级的储器芯片已经投入生产并广泛应用。在计算机方面的应用是可以把电脑缩小成为“掌上电脑”，使电脑使用起来更为方便。在环境保护领域未来将出现多功能纳米膜。这种纳米膜能够对化学或生物制剂造成的污染进行过滤，从而改善环境污染。在纺织工业方面通过在原始材料中添加纳米ZnO等复配粉体材料，再通过经抽丝、织布，然后能够制成除臭或抗紫外线辐射等特殊功能的服装，这些产品可以满足国防工业要求。 （3）纳米材料技术现在已广泛应用于遗传育种中，该技术能够结合转基因技术并且已经在培育新品种方面取得了很大的进展。这种技术是通过纳米手段将染色体分解为单个的基因，然后对它们进行组装，这种技术整合成的基因产品的成功率几乎可以达到100%。经过实践证明，科研人员能够让单个的基因分子链展现精细的结构，并可以通过具体的操纵其实现分子结构改变其性能，从而形成纳米图形，这样就能使人们可以在更小的世界范围内、更加深的一种层次上进行探索生命的秘密。 （4）纳米材料技术在发动机尾气处理方面的应用，目前有一种新型的纳米级净水剂有非常强的吸附能力，它是一般净水剂的20倍左右。纳米材料的过滤装置，还能有效的去除水中的一些细菌，使矿物质以及一些微量元素有效的保留下来，经过处理后的污水可以直接饮用。纳米材料技术的为解决大气污染方面的问题提供了新的途径。这种技术对空气中的污染物的净化的能力是其它技术所不可替代的。 二、特点 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的
纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理
纳米材料应用的新进展 来源：全球电源网 世界上已经研制成功四种贮氢合金材料：即稀土镧镍系、铁一钛系、镁系以及钒、铌、锆等多元素系合金材料。但它们全都是非纳米材料。最近几年世界各国在大力开发纳米贮氢电极材料，一系列纳米贮氢材料不断问世。它们的进展为更好利用氢能带来了福音。目前开发的主要材料系列有镁镍合金、碳纳米管和纳米铁钛合金。三种纳米材料的开发已经形成热潮。美洲和欧洲国家开发工作最集中的是镍金属氢化物电池用的镁镍合金和碳纳米管，其次是燃料电池用的铁钛合金及碳纳米管。包括中国在内的亚洲国家开发纳米镁镍合金主要是针对镍金属氢化物电池的应用，开发纳米铁钛合金及碳纳米管主要是针对燃料电池的应用。在开发金属氢化物储氢方面，过去的主要问题是贮氢量低，成本高及释氢温度高。现在在开发纳米储氢材料过程中这些问题仍是值得注意的问题。本文介绍目前科研人员针对上述问题开发纳米储氢材料方面的进展。1 镁镍合金开发继续升温镁系贮氢合金是最具开发前途的贮氢材料之一，所以目前开发最热的是镁镍合金。镁镍合金成本低，其贮氢质量高，若以CD ( H )代表合金贮氢的质量分数， 理论上纯镁的质量分数为7.6% ，而稀土LaNi5 的只有1.4% ，钛系TiFe 只为1.9%。这就是形成镁系合金开发热潮的原因。以前主要使用熔铸法和快速凝固法生产镁合金。能够体现出高技术的发展水平是现在的机械研磨技术。也就是先在600 C以上使镁与镍形成合金，经过检测确定是Mg2Ni合金以后，然后进行机械研磨。目前普遍用机械研磨法生产多元纳米贮氢合金、纳米复合贮氢合金。新型纳米镁镍合金同稀土系、钛系和锆系贮氢材料相比具有许多优点。镁系合金中最典型的是Mg2Ni 合金。其氢化物Mg2NiH4 合金贮氢量为3.6%。1.1 代换镁的金属呈增加趋势国内外制备传统镁系合金采取的措施是添加铝、铁、钴、铬、钒、锰、铜、钛及镧等元素来替换镁，使其形成多元镁镍合金。第二种是将 纯镁粉与低稳定性的贮氢合金复合。第三种是把镁系合金与别的合金混合制成复 合贮氢材料。最后就是将负极浸入铜、镍-硼或镍-磷等镀液里，使镀上一层金属膜，镀
《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？ 答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。 按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移； 磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ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，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，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和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分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。 三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的 比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？ 答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。 答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒 T 内。位错与晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 m
磁性纳米材料的应用 磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料，既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高，又具有良好的磁导向性、超顺磁性类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，可以在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电磁波产热。基于这些特性，磁性纳米颗粒广泛应用于分离和检测等方面。 （一）生物分离 生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用（如抗原-抗体和亲和素 -生物素等）来实现对靶向性生物目标的快速分离。 传统的分离技术主要包括沉淀、离心等过程，这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低，接触有毒试剂，很难实现自动化操作。磁分离技术基于磁性纳米材料的超顺磁性，在外加磁场下纳米颗粒被磁化，一旦去掉磁场，它们将立即重新分散于溶液中。因此，可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的磁性能，从而达到分离的目的，如细胞分离、蛋白质分离、核酸分离、酶分离等，具有快速、简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。此外，由于磁性纳米材料兼有纳米、磁学和类酶催化活性等特性，不仅能实现被检测物的分离与富集，而且能够使检测信号放大，具有重要的应用前景。 通常磁分离技术主要包括以下两个步骤：（ 1）将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上；（2）利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来。 ①细胞分离：细胞分离技术的目的是快速获得所需的目标细胞。传统的细胞分离技术主要是根据细胞的大小、形态以及密度差异进行分离，如采用微滤、超滤和超滤离心等方法。这些方法虽然操作简单，但是特异性差，而且纯度不高，制备量偏小，影响细胞活性。但是利用磁性纳米材料可以避免一定的局限性，如在磁性纳米材料表面接上具有生物活性的吸附剂或配体（如抗体、荧光物质和外源凝结素等），利用它们与目标细胞特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对数量和种类的研究。 磁性纳米材料作为不溶性载体，在其表面上接有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物，利用它们与目标细胞的特性结合，在外加磁场作用下将细胞分离。 温惠云等的地衣芽孢杆菌实验结果表明，磁性材料 Fe3O4 的引入对地衣芽孢杆菌的生长没有影响；Kuhara等制备了人单克隆抗体anti-hPCLP1,利用 anti-hPCLP1 修饰的磁纳米颗粒从人脐带血中成功分离了成血管细胞，PCLP1 阳性细胞分离纯度达到了 95%。 ②蛋白质分离：利用传统的生物学技术（如溶剂萃取技术）来分离蛋白质程序非常复杂，而磁分离技术是分离蛋白分子便捷而快速的方法。 基于在磁性粒子表面上修饰离子交换基团或亲和配基等可与目标蛋白质产生特异性吸附作用的功能基团 , 使经过表面修饰的磁性粒子在外加磁场的作用下从生物样品中快速选择性地分离目标蛋白质。 王军等采用络合剂乙二胺四乙酸二钠和硅烷偶联剂KH-550寸磁性Fe3O4粒 子进行表面修饰改性 , 并用其对天然胶乳中的蛋白质进行吸附分离。结果表明 , 乙二胺四乙酸通过化学键合牢固地结合在磁性粒子表面 , 并通过羰基与蛋白质反应, 达到降低胶乳氮含量的目的。 ③核酸分离 经典的DNA/RN分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法，这些方法的缺点是耗时多，难以自动化，不能用于分析小体积样品，分离不完全。
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
?综合评述? 半导体纳米材料的光学性能及研究进展Ξ 关柏鸥 张桂兰 汤国庆 (南开大学现代光学研究所,天津300071) 韩关云 (天津大学电子工程系,300072) 摘要 本文综述了近年来半导体纳米材料光学性能方面的研究进展情况,着重介绍了半导体纳米材料的光吸收、光致发光和三阶非线性光学特性。 关键词 半导体纳米材料;光学性能 The Optica l Properties and Progress of Nanosize Sem iconductor M a ter i a ls Guan B ai ou Zhang Gu ilan T ang Guoqing H an Guanyun (Institute of M odern Op tics,N ankaiU niversity,T ianjin300071) Abstract T he study of nano size sem iconducto r particles has advanced a new step in the understanding of m atter.T h is paper summ arizes the p rogress of recent study on op tical p roperties of nano size sem icon2 ducto r m aterials,especially emphasizes on the op tical2abso rp ti on,pho to lum inescence,nonlinear op tical p roperties of nano size sem iconducto r m aterials. Key words nano size sem iconducto r m aterials;op tical p roperties 1 引言 随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。 低维材料一般分为以下三种:(1)二维材料,包括薄膜、量子阱和超晶格等,在某一维度上的尺寸为纳米量级;(2)一维材料,或称量子线,线的粗细为纳米量级;(3)零维材料,或称量子点,是尺寸为纳米量级的超细微粒,又称纳米微粒。随着维数的减小,半导体材料的电子能态发生变化,其光、电、声、磁等方面性能与常规体材料相比有着显著不同。低维材料开辟了材料科学研究的新领域。本文仅就半导体纳米微粒和由纳米微粒构成的纳米固体的光学性能及其研究进展情况做概括介绍。2 半导体纳米微粒中电子的能量状态 当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子、空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。 关于半导体纳米微粒中电子能态的理论工作最早是由AL.L.Efro s和A.L.Efro s开展的[1]。他们采用有效质量近似方法(E M A),根据微粒尺寸R与体材料激子玻尔半径a B之比分为弱受限(Rμa B,a B=a e+ a h,a e,a h分别为电子和空穴的玻尔半径)、中等受限(a h 纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法 纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中 纳米材料的热学特性 【摘要】：纳米材料的应用及其广泛，涉及到各个领域。本文将从纳米材料的热容，晶格参数，结合能，内聚能，熔点，溶解焓，溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述，并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。 【关键词】：纳米材料热学特性发展前景 【正文】： （一）纳米材料 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 （二）热学特性 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和 纳米材料的光学特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构，纳米材料可分为四类，即：纳米结构晶体或三维纳米结构；二维纳米结构或纤维状纳米结构；一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。 纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。 纳米材料的特性和应用 摘要本文简要介绍了纳米材料的分类及特性，并对纳米材料在化工、生物医学、环境、食品等领域的应用进行了综述，最后对纳米材料的发展趋势进行了展望。关键词纳米材料；分类；特性；应用；发展 1 引言 有科学家预言, 在21 世纪纳米材料将是“最有前途的材料”, 纳米技术甚至会超过计算机和基因学, 成为“决定性技术”。国际纳米结构材料会议于1992 年开始召开(两年一届) , 并且目前已有数种与纳米材料密切相关的国际期刊。德国科学技术部预测到2010 年纳米技术市场为14 400 亿美元, 美国政府自2000 年 克林顿总统启动国家纳米计划以来, 已经为纳米技术投资了大约20 亿美元。同时, 欧盟在2002～2006 年期间将向纳米技术投资10 多亿美元。日本2002 年的纳米技术开支已经从1997 年的1. 20 亿美元提高到7. 50 亿美元。 2 纳米材料及其分类 纳米材料（nano- material）又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。粒子尺寸范围在1-100 nm 之间，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计，将纳米材料大致可分成四种类型，即零维的纳米粉末（颗粒和原子团簇）、一维的纳米纤维（管）、二维的纳米膜、三维的纳米块体。 3 纳米材料的特性1 3.1 小尺寸效应 当纳米晶粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏, 使其磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化。如银的熔点约为900℃, 而纳米银粉熔点仅为100℃, 一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%～50%。 3.2 表面效应 纳米晶粒表面原子数和总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质变化。纳米晶粒的减小, 导致其表面热、表面能及表面结合能都迅速增大, 致使它表现出很高的活性,如日本帝国化工公司生产的T iO2平均粒径为15 nm , 比 1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值λg与Eg有关，其关系式为：λg=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势，从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低（更正）；而给体电势比半导体价带电势高（更负）。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正，空穴的氧化能力越强，导带底CBB越负，电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好，光生电子或空穴的迁移能力越强，越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂，导带底位置必须比H+/H 2 O的氧化 还原势负，才能产生H 2，价带顶必须比O 2 /H 2 O(+的氧化还原势正，才能产生O 2 ,。 因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置，而且考虑到超电压的存在，半 导体禁带宽度Eg应至少大于。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度，这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说，光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂，分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子，可能生成活性物种·OH，它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应，是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧，它既能够抑制电子与空穴的复合，同时也是氧化剂，可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响，晶体结构（晶系、晶胞参数等）也影响半导体的光催化活性。TiO 2 是目前认为最 好的光催化剂之一。TiO 2 主要有两种晶型—锐钛矿和金红石，两种晶型结构均可 由相互连接的TiO 6 八面体表示，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石，且带间隙（）略大于金红石（），这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律，除了在绝对零度，所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布，实际晶体都是近似的空间点阵式结构，总有一种或几种结构上的缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体时，也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷的存在 代鹏程无机化学2009级硕博连读学号：200911461 题目：举例说明纳米材料的结构与其性质的关系 答： 目录 1、纳米材料定义 2、纳米材料的结构 3、纳米材料的性能 4、以量子点为例说明纳米材料结构与其性质的关系 5、以纳米线为例说明纳米材料结构与其性质的关系 1、纳米材料定义 纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米，在通常情况下不超过10纳米；从广义上说，纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1～100nm）限制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂层）及三维纳米材料。 2、纳米材料的结构 材料学研究认为：材料的结构决定材料的性能，同时材料的性能反映材料的结构。纳米材料也同样如此。对于纳米材料，其特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显的差异。 纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元；即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。 纳米材料由于非常小，使纳米材料的几何特点之一是比表面积（单位质量材料的表面积）很大，一般在102～104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如：一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒，总共有原子个数53=125个，而表面上就有约89个原子，占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如，普通材料的比表面积在10m2/g以下，其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。 由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点，从物理学的观点来看，就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来，这是一个由量变到质变的过程。一个效应我们称之为量子尺寸效应，另一个被称之为表面效应。量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时，描述它的物理规律完全不同 纳米材料的应用及发展前景 摘要 纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程，并简述了纳米材料在各方面的应用及其在涂料和力学性能材料方面的发展前景。 关键词：纳米材料、纳米技术、应用、发展前景 一、前言 从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1 纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。 二、纳米材料的发现和发展 《材料科学前沿》 学号：S1******* 流水号：S2******* 姓名：张东杰 指导老师：郝耀武 纳米晶材料的物理性能 摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。 关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能 1、引言 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。 纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的热学特性
纳米材料的光学特性
纳米材料的特性和应用
影响纳米材料光催化性能的因素
举例说明纳米材料的结构与其性质的关系
纳米材料的应用及发展前景
纳米材料的物理性能.
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