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纳米材料与制备15

第四章纳米材料的性能与应用

4.1 纳米材料的基本效应

4.2 纳米材料的物理特性

4.3 纳米材料的应用

4.1 纳米材料的基本效应

4.1.1 量子尺寸效应

库堵与量子隧穿效应

4.1.3 表面效应

4.1.4 小尺寸效应

4.1.1 量子尺寸效应

(1) 固体能带理论

()纳米颗粒的能带性质

(3) 量子尺寸效应

(1) 固体能带理论

原子中电子的运动轨道可分为1s2s2p3s3p3d等,这些运动

轨道对应于不同的电子能级,孤立原子的每一个能级是分

的外层电子会发生不同程度的交叠。使电子的运动不再局

的外层电子会发生不同程度的交叠使电子的运动不再局

限于某一个原子,而是转移到相邻原子乃至整个晶体,形

成电子的共有化运动,此时孤立原子的能级扩展成为能带。

N3S

能带形成示意图——以金属Na 3S能级为例

能带理论(Energy band theory ) 是讨论晶体包括金属、

要的近似理论它把晶体看成一个大分子这个分子由晶

要的近似理论。它把晶体看成个大分子,这个分子由晶

体中所有原子按照分子轨道理论组合而成。

导体半导体和绝缘体之分他们的导电性能为何不同

满带、导带、价带、禁带

满带导带价带禁带

满带:电子从低能量到高能量填满一系列的能带,在能量低满带电子从低能量到高能量填满系列的能带在能量低的能带中都填满了电子,这些能带称为满带;

导带:能量最高的能带往往是全空或半空的,电子没有填满,称为导带;

称为导带

价带:在导带下的那个满带,其电子有可能跃迁至导带,称为价带;

。禁带:两者之间没有电子存在的区域称为禁带,禁带宽带E

g

碱金属碱土金属

导体能导电的根本原因在于,导体中存在未填满的能带(由能导电的根本原因在于导体中存在未填满的能带

于电子未充满或能带重叠),也可以认为导体的导带和价带

是重合的,中间没有禁带。因此只需很少量的能量,满带中的电子就能跃入未满带的空分子轨道中,使导体具有导电性。

的特征是价电子都处于满带中导带是空的没有绝缘体的特征是价电子都处于满带中,导带是空的,没有

大于5.0Ev ,价带自由电子,而且禁带宽带很宽,通常E

g

的电子难以跃迁到导带,所以绝缘体不导电。

半导体的能带与绝缘体的相似,虽然价带中一般也没有自的能带与绝缘体的相似虽然价带中般也没有自由电子,但禁带宽度较窄,在0.5-3.0 eV。在一定条件下,价带的电子可以跃迁到导带,因此可以导电。

(2) 纳米颗粒的能带性质

根据能带理论,在金属块体中,相邻的两分子轨道的能量差非常小,而且由于能级分裂,使得能级之间的间隔更小,因此金属块体中的能级可以看成是连续的。

但当金属材料的尺寸减小的一定程度时,能带理论就不适用但当金属材料的尺寸减小的定程度时能带理论就不适用了。在金属纳米材料中原子个数是有限的,此时能级之间的间隔就不容忽视,也就是说纳米材料的电子能级不是连续的,间隔就不容忽视也就是说纳米材料的电子能级不是连续的而是离散的。

电子能级间隙与微粒尺寸之间的关系久保理论

: 费米能级

N: 个微粒中总导电电子数,V: 微粒体积,E

时的能量可表示为:

费米能级是电子占有几率为1/2时的能量,可表示为:

n1: 电子密度,m: 电子质量

当金属微粒为球形时:

即随着金属微粒粒径的减小,能级之间的间隙增大,必

属由导电转变成半导体甚至绝缘体。

实例——金属由导体转变成绝缘体

通常情况下,块体金属都是导体,但纳米金属颗粒在低温

径<14 nm时,即转变为绝缘体。实验结果也证实,纳米Ag

14时即转变为绝缘体实验结果也证实纳米A

具有很高的电阻,类似于绝缘体。

对于金属来说,随着颗粒尺寸的减小,电子能级之间的间

变成离散的金属由导体转变成绝缘体那么对于半导

变成离散的,金属由导体转变成绝缘体。那么,对于半导

体又是怎样的情况呢?

能级间隙展宽,禁带宽度变大。

最低未被占据分子轨道。

实例——半导体吸收光谱蓝移

max

向短波方向移动称为蓝移。

当半导体微粒尺寸下降到一定值时由于能级到一定值时,由于能级间隙变宽,吸收光谱阈吸值向短波方向移动,即出现蓝移现象光度

出现蓝移现象。

波长(nm )

不同尺寸CdSe 纳米粒子的吸收光谱

(3) 量子尺寸效应

量子尺寸效应当粒子的尺寸下降到某个值时,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

未被占据分子轨道,且能级间隙变宽的现象。

性质与宏观状态时的性质有显著差异。

4.1.2 库仑堵塞与量子隧穿效应

的,即充电和放电过程是不连续的。充入一个电子所需

=e2/2C

E

e: 一个电子的电荷,C: 小体系的电容

体系越小,C越小,则E

c

电子的排斥能。

体传输,而是一个一个单电子传输,通常把小体系中这

种单电子输运的行为称为库仑堵塞效应。

两个相邻的纳米颗粒,电子要从一个颗粒运动到另一个颗粒,就会像穿越隧道一样,一个一个的发生,电压电库仑堵塞和量子隧穿效应都是在低温才能观察到原因流关系图上表现出台阶曲线,这就是量子隧穿效应。库仑堵塞和量子隧穿效应都是在低温才能观察到,原因是低温时电子激发能k B T

如果粒径特别小如1左右在室温下也能观察到如果粒径特别小,如1 nm 左右,在室温下也能观察到。当粒径在十几纳米范围时,必须在极低温度才能观察到库仑堵塞和量子隧穿效应。

纳米材料的制备方法

1化学气相沉积法 1.1化学气相沉积法的原理 化学气相沉积法(Chemical Vapour Deposition (CVD) )是通过气相或者在基板表面上的化学反应,在基板上形成薄膜。化学气相沉积方法实际上是化学反应方法,因此。用CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜,也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料,而且即使是高熔点物质也可以在很低的温度下制备。 用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料、包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。采用各种反应形式,选择适当的制备条件——基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜构料。化学气相沉积的化学反应形式.主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。 化学气相沉积法制备纳米碳材料的原理是碳氢化合物在较低温度下与金属纳米颗粒接触时通过其催化作用而直接生成。化学气相沉积法制备碳纳米管的工艺是基于气相生长碳纤维的制备工艺。在研究气相生长碳纤维早期工作中就己经发现有直径很细的空心管状碳纤维,但遗憾的是没有对其进行更详细的研究[4]。直到Iijima在高分辨透射电子显微镜发现产物中有纳米级碳管存在,才开始真正的以碳纳米管的名义进行广泛而深入的研究。 化学气相沉积法制备碳纳米管的原料气,国际上主要采用乙炔,但也采用许多别的碳源气体,如甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、甲醇、乙醇、二甲苯等。在过渡金属催化剂铁钴镍催化生成的碳纳米管时,使用含铁催化剂,多数得到多壁碳纳米管;使用含钴催化剂,大多数的实验得到多壁碳纳米管;过渡金属的混合物比单一金属合成碳纳米管更有效。铁镍合金多合成多壁碳纳米管,铁钴合金相比较更容易制得单壁碳纳米管。此外,两种金属的混合物作为催化剂可以大大促进碳纳米管的生长。许多文献证实铁、钴、镍任意两种的混合物或者其他金属与铁、钴、镍任何一种的混合物均对碳纳米管的生长具有显著的提高作用,不仅可以提高催化剂的性能,而且可以提高产物的质量或者降低反应温度。催化裂解二甲苯时,将适量金属铽与铁混合,可以提高多壁碳纳米管的纯度和规则度。因而,包括像烃及一氧化碳等可在催化剂上裂解或歧化生成碳的物料均有形成碳纳米管的可能。Lee Y T 等[5]讨论了以铁分散的二氧化硅为基体,乙炔为碳源所制备的垂直生长的碳纳米管阵列的生长机理,并提出了碳纳米管的生长模型。Mukhopdayya K等[6]提出了一种简单而新颖的低温制备碳纳米管阵列的方法。该法以沸石为基体,以钴和钒为催化剂,仍是以乙炔气体为碳源。Pna Z W等[7]以乙炔为碳源,铁畦纳米复合物为基体高效生长出开口的多壁碳纳米管阵列。 1.2评价 化学气相沉积法该法制备的纳米微粒颗粒均匀,纯度高,粒度小,分散性好,化学反应活性高,工艺可控和连续,可对整个基体进行沉积等优点。此外,化学气相沉积法因其制备工艺简单,设备投入少,操作方便,适于大规模生产而显示出它的工业应用前景。因此,化学气相沉积法成为实现可控合成技术的一种有效途径。化学气相沉积法缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的一种工艺,广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属,氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等膜材料。总之,随着纳米材料制备技术的不断完善,化学气相沉积法将会得到更广泛的应用。

常见纳米材料的制备技术

东华大学研究生课程论文封面 教师填写: 本人郑重声明:我恪守学术道德,崇尚严谨学风。所呈交的课程论文,是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写,我对所写的内容负责,并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名: 注:本表格作为课程论文的首页递交,请用水笔或钢笔填写。

常见纳米材料的制备技术 1 概述 纳米材料是指材料的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,广义来讲,数百纳米的尺度亦可称为纳米材料。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应,因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能,纳米材料的性能往往由量子力学决定。按照纳米材料的空间形态可以将其分为4类:三维尺寸均为纳米量级的纳米粒子或人造原子被称为零维纳米材料;纳米纤维为一维纳米材料;纳米膜(片、层)可以称为二维纳米材料;而有纳米结构的材料可以称为三维纳米材料。目前只有纳米粉末实现了工业化生产(如碳酸钙、氧化锌等),静电纺纳米纤维的产量能够满足实验的需求,其它纳米材料基本上还处于实验室研究阶段[1]。 2 常见的纳米材料 2.1 零维纳米材料 指空间中三个维度的尺寸均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒、原子团簇等。纳米球全称“原子自组装纳米球固体润滑剂”,是具有二十面体原子团簇结构的铝基合金,是一种新型纳米/非晶合金固体抗磨自修复剂,采用急冷方法制备抗磨剂粉体,在合金从液体到固体的凝固过程中,形成纳米晶/非晶的复合结构,利用粒度控制的方法对抗磨剂粉末进行超微细化处理而成。该材料具有高硬度、高强度,并具有一定的韧性等性能,在多种减摩自修复机制的综合作用下呈现优良的减摩和抗磨性能,可以起到节省燃油、修复磨损表面、增强机车动力、降低噪音、减少污染物排放、保护环境的作用。 2.2 一维纳米材料 一维纳米材料指空间中有二维处于纳米尺度的材料,如纳米纤维、纳米棒、碳纳米管等。 静电纺纳米纤维是目前唯一一种能够连续制备纳米纤维的技术,它是利用高压电场力将纤维从导电溶液中抽拔出来,在抽拔过程中纤维被拉伸变细、溶剂挥

纳米材料的制备方法及其研究进展

纳米材料的制备方法及其研究进展纳米材料的制备及其研究进展 摘要:综述了纳米材料的结构、性能及发展历史;介绍了纳米材料的制备方法及最新进展;概述了纳米材料在各方面的应用状况和前景;讨论了目前纳米材料制备中存在的问题。 关键词:纳米材料;结构与性能;制备技术;应用前景;研究进展 1 引言 纳米微粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群,微粒具有壳层结构。由于微粒的表面层占很大比重,所以纳米材料实际是晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合,纳米材料具有大量的界面,晶界原子达15%-50%。 这些特殊的结构使得纳米材料具有独特的体积效应、表面效应,量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,从而使其具有奇异的力学、电学、磁学、热学、光学、化学活性、催化和超导性能等特性,使纳米材料在国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值,美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”,欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划;日本在10年纳米微粒的制备方法 1 纳米微粒的制备方法一般可分为物理方法和化学方法。制备的关键是如何控制颗粒的大小和获得较窄且均匀的粒度分布。 1.1 物理方法 1.1.1 蒸发冷凝法

又称为物理气相沉积法,是用真空蒸发、激光、电弧高频感应、电子束照射等方法使原料气化或形成等离子体,然后在介质中骤冷使之凝结。特点:纯度高、结晶组织好、粒度可控;但技术设备要求高。根据加热源的不同有: (1)真空蒸发-冷凝法其原理是在高纯度惰性气氛(Ar,He)下,对蒸发物质进行真空加热蒸发,蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。1984年Leiter[2]等首次用惰性气体沉积和原位成型方法,研制成功了Pd、Cu、Fe 等纳米级金属材料。1987 年Siegles[3]采用该法又成功地制备了纳米级TiO2 陶瓷材料。这种方法是目前制备纳米微粒的主要方法。特点:粒径可控,纯度较高,可制得粒径为5~10nm的微粒。但仅适用于制备低熔点、成分单一的物质,在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在局限性。 (2)激光加热蒸发法是以激光为快速加热源,使气相反应物分子是利用高压气体雾化器将-20~-40OC的氦气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液流是以高频线圈为热源,使坩埚是用等离子体将金属等的粉末熔融、蒸发和冷凝以获得纳米微粒。特点:微粒纯度较高,粒度均匀,是制备氧化物、氮化物、碳化物系列、金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效的方法,同时为高沸点金属纳米微粒的制备开辟了前景。但离子枪寿命短、功率小、热效率低。目前新开发出的电弧气化法和混合等离子体法有望克服以上缺点。 (6)电子束照射法1995年许并社等人[4]利用高能电子束照射母材,成功地获 得了表面非常洁净的纳米微粒,母材一般选用该金属的氧化物,如用电子束照射 Al2O3 后,表层的Al-O 键被高能电子“切断”,蒸发的Al原子通过瞬间冷凝,形核、长大,形成Al的纳米微粒,但目前该方法获得的纳米微粒限于金属纳 米微粒。 1.1.2 物理粉碎法

纳米材料制备方法综述

纳米材料制备方法综述 摘要:纳米材料由于其特殊性质,近年来受到人们极大的关注。随着纳米科技的发展,纳米材料的制备方法已日趋成熟。纳米材料的制备方法按物态一般可归纳为气相法、液相法、固相法。目前,各国科学家在纳米材料的研究方面已取得了显著的成果。纳米材料将推动21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展, 对生产力的发展产生深远的影响。 关键字:纳米材料,制备,固相法,液相法,气相法 近年来,纳米材料作为一种新型的材料得到了人们的广泛关注。纳米材料是指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,具有表面与界面效应,量子尺寸效应,小尺寸效应和宏观量子隧道效应,因而纳米具有很多奇特的性能,广泛应用于各个领域。为此,本文综述了纳米材料制备的各种方法并说明其优缺点。 目前纳米材料制备采用的方法按物态可分为:气相法、液相法和固相法。 一、气相法 气相法是将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长低维纳米材料的方法。气相法主要包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD),在某些情况下使用其他热源获得气源,如电阻加热法,高频感应电流加热法,混合等离子加热法,通电加热蒸发法。 1、物理气相沉积(PVD) 在PVD过程中没有化学反应产生,其主要过程是固体材料的蒸发和蒸发蒸气的冷凝或沉积。采用PVD可制备出高质量的纳米材料粉体。PVD可分为制备出高质量的纳米粉体。PVD可分为蒸气-冷凝法和溅射法。 1.1蒸气-冷凝法 此种制备方法是在低压的Ar、He等惰性气体中加热物质(如金属等),使其蒸发汽化, 然后在气体介质中冷凝后形成5-100 nm的纳米微粒。通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米粉体。此方法制备的颗粒表面清洁,颗粒度整齐,生长条件易于控制,但是粒径分布范围狭窄。 1.2溅射法 用两块金属板分别作为阳极和阴极,阴极为蒸发用的材料,在两电极间充入Ar气(40~250Pa),两电极间施加的电压范围为0.3~1.5kv。由于两极间的辉光放电使Ar离子形成,在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面,使靶材原产从其表面蒸发出来形成超微粒子.并在附着面上沉积下来。用溅射法制备纳米微粒有许多优点:可制备多种纳米金属,包括高熔

纳米材料的主要制备方法

本科毕业论文 学院物理电子工程学院 专业物理学 年级 2008级 姓名贾学伟 设计题目纳米材料的主要制备方法 指导教师闫海龙职称副教授 2012年4月28日 目录 摘要 (1) Abstract (1) 1 引言 (1) 1.1纳米材料的定义 (1) 1.2纳米材料的研究意义 (2) 2 纳米材料的主要制备方法 (3) 2.1化学气相沉积法 (3) 2.2溶胶-凝胶法 (5) 2.3分子束外延法 (6) 2.4脉冲激光沉积法 (8) 2.5静电纺丝法 (9) 2.6磁控溅射法 (11) 2.7水热法 (12)

2.8其他制备纳米材料的方法 (13) 3 总结 (14) 参考文献 (14) 致谢 (15)

纳米材料的主要制备方法 学生姓名:贾学伟学号: 学院:物理电子工程学院专业:物理学 指导教师:闫海龙职称:副教授摘要:纳米材料由于其特殊的性质,近年来引起人们极大的关注。随着纳米科技的发展,纳米材料的制备方法已日趋成熟。本文主要介绍了纳米材料的制备方法,其中包括化学气相沉积法、溶胶—凝胶法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、静电纺丝法、磁控溅射法、水热法等。在此基础上,分析了现代纳米材料制备方法的发展趋势。纳米技术对21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展有重要影响,对生产力的发展有重要作用。 关键词:纳米;纳米材料;纳米科技;制备方法 The preparation method of nanomaterials Abstract:Nanomaterials are attracting intense in recent years. With the development of nanotechnology, nanomaterials preparation method has been more and more mature. The preparation methods sush as, chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy, laser pulse precipitation, sintering, hydrothermal method, sol-gel method are introduced in this paper. New development trend of preparation methods are analysed. N anomaterials will promote the development of IT, medicine, environment, automation technology and energy science, and will have a great influenced on productive in the 21st century. Key words:nanometer;na nomaterials;nanotechnology;preparation 1 引言 1.1纳米材料的定义 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或由它们作为基本单元构成的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料,这大约相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺度[1]。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切,当小粒子尺寸进入纳米量级时,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[2]。

(完整版)纳米材料的制备技术及其特点

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[ 1 ] ,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[ 2 ] [ 3 ] 。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通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶化和蒸发,蒸汽达到周围的气体就会被冷凝或发生化学反应形成超微粒。 2 化学制备方法 化学法是指通过适当的化学反应, 从分子、原子、离子出发制备纳米物质,它包括化学气相沉积法[5][6]、化学气相冷凝法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法,该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。

三维纳米材料制备技术综述

三维纳米材料制备技术综述 摘要:纳米材料的制备方法甚多。目前,制备纳米材料中最基本的原则有二:一是将大块固体分裂成纳米微粒;二是由单个基本微粒聚集,并控制聚集微粒的生长,使其维持在纳米尺寸。本文主要介绍纳米材料分类和性能,同时介绍了一些三维纳米材料的制备方法,如水热法、溶剂热法和微乳液法。 关键词:纳米材料;纳米器件;纳米阵列;水热法;溶剂热法;微乳液法 1.引言 随着信息科学技术的飞速发展,人们对物质世界认识随之也从宏观转移到了微观,也就是说从宏观的块体材料转移到了微观的纳米材料。所谓纳米材料,是材料尺寸在三维空间中,至少有一个维度处于纳米尺度范围的材料。如果按照维度的数量来划分,纳米材料的的种类基本可以分为四类:(1)零维,指在空间中三维都处在纳米尺度,如量子点,尺度在纳米级的颗粒等;(2)—维,指在空间中两个维度处于纳米尺度,还有一个处于宏观尺度的结构,例如纳米棒、纳米线、纳米管等;(3)二维,是指在空间中只有一个维度处于纳米尺度,其它两个维度具有宏观尺度的材料,典型的二维纳米材料具有层状结构,如多层膜结构、一维超晶格结构等;(4)三维,即在空间中三维都属于宏观尺度的纳米材料,如纳米花、纳米球等各种形貌[1]。 当物质进入纳米级别,其在催化、光、电和热力学等方面都出现特异性,这种现象被称为“纳米效应”。纳米材料具有普通材料所不具备的3大效应:(1)小尺寸效应——其光吸收、电磁、化学活性、催化等性质发生很大变化;(2)表面效应——在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性;(3)宏观量子隧道效应,例如纳米微粒表现出令人难以置信的奇特的宏观物理特性,如高强度和高韧性,高热膨胀系数、高比热容和低熔点,异常的导电率和磁化率,极强的吸波性,高扩散性,以及高的物理、化学和生物活性等[2]。 纳米科学发展前期,人们更多关注于一维纳米材料,并研究其基本性能。随着纳米科学快速发展,当今研究热点开始转向以微纳结构和纳米结构器件为方向的对纳米阵列组装体系的研究。以特定尺寸和形貌的一维纳米材料为基本单元,采用物理和化学的方法在两维或三维空间内构筑纳米体系,可得到包括纳米阵

纳米材料的制备方法

纳米材料的制备方法 一、前言 纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代,英国化学家Thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。纳米材料是指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。当粒子尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。 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。 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。 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。 纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系,所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率,对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多,而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级,磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级,从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。 二、纳米材料的制备方法 (一)、机械法 机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部

纳米材料的制备及应用

本科毕业论文(设计) 题目:纳米材料的制备及应用 学院:物理与电子科学学院 班级: XX级XX班 姓名: XXX 指导教师: XXX 职称: 完成日期: 20XX 年 X 月 XX 日

纳米材料的制备及应用 摘要:近几年来,由于纳米材料有众多特殊性质,人们越来越关注纳米材料。科技的迅猛发展使纳米材料的制备变得更加成熟。本论文讲述纳米材料的制备,以及纳米技术在将来的应用。 关键词:纳米材料物理方法化学方法应用前景

目录 引言 (1) 1.纳米材料的物理制备方法 (1) 1.1物理粉碎法 (1) 1.2球磨法 (2) 1.3.蒸发—冷凝法 (2) 1.3.1.激光加热蒸发法 (2) 1.3.2.真空蒸发—冷凝法 (4) 1.3.3.电子束照射法 (4) 1.3.4.等离子体法 (5) 1.3.5.高频感应加热法 (5) 1.4.溅射法 (6) 2.纳米材料的化学制备方法 (7) 2.1化学沉淀法 (8) 2.2化学气相沉积法 (8) 2.3化学气相冷凝法 (10) 2.4溶胶--凝胶法 (10) 2.5水热法 (11) 3.纳米材料的其他制备方法 (12) 3.1分子束外延法 (12) 3.2静电纺丝法 (13) 4.纳米材料的应用前景 (14) 5.总结 (14) 参考文献 (15) 致谢 (16)

引言 纳米材料是指任一维空间尺度处于1—100nm之间的材料。它有着不同寻常的性质,如小尺寸效应可引起物理性质的突变,从而具有独特的性能;量子尺寸效应和表面与界面效应使其具有了一般大颗粒物不具备的性质,如对红外线、紫外线有很强的反射作用,应用到纺织品中有抗紫外线,隔热保温作用。纳米材料的这些特性使其在化工、物理、生物、医学方面都有非常重要的价值]1[。多年以来,通过科学家们的潜心研究,使纳米材料在其制备及其应用中得到了很大的发展。纳米材料将逐渐进入人们的日常生活,并将成为未来新工业革命的必备材料。 1.纳米材料的物理制备方法 1.1物理粉碎法 物理粉碎法就是用机械粉碎和电火花爆炸等方法得到纳米微粒]2[。此方法操作简单,成本较低,但得到的纳米微粒纯度不高,分布也不均匀。 图1. 机械粉碎法仪器图

一维纳米材料的制备概述

学年论文 ` 题目:一维纳米材料的制备方法概述 学院:化学学院 专业年级:材料化学2011级 学生姓名:龚佩斯学号:20110513457 指导教师:周晴职称:助教

2015年3月26日 成绩 一维纳米材料制备方法概述 --气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料 材料化学专业2011级龚佩斯 指导教师周晴 摘要:一维纳米材料碳纳米棒、碳纳米线等因其独特的用途成为国内外材料科学家的研究热点。然而关于如何制备出高性能的一维纳米材料正是各国科学家所探究的问题。本文概述了一维纳米材料的制备方法:气相法、液相法、模板法等。 关键词:一维纳米材料;制备方法;气相法;液相法;模板法 Abstract: the nanoscale materials such as carbon nanorods and carbon nanowires have become the focus of intensive research owing to their unique applications. but the question that how to make up highqulity one-dimentional nanostructure is discussing by Scientists all around the world. This parper has reviewed the preparation of one dimention nanomaterials ,such as vapor-state method, liqulid -state method ,template method and so on. Key words: one-dimention nanomaterials ; preparatinal method ; vapor-state method liqulid-state method ; template method 纳米材料是基本结构单元在1nm ~100nm之间的材料,按其尺度分类包括零维、一维、二维纳米材料。自80年代以来,零维纳米材料不论在理论上和实践中均取得了很大的进展;二维纳米材料在微型传感器中也早有应用。[1]一维纳米材料因其特殊的结构效应在介观物理、纳米级结构方面具有广阔的应用前景,它的制备研究为器件的微型化提供了材料基础。本文主要概述了近年来文献关于一维纳米材料的制备方法。 1 一维纳米材料的制备方法 近几年来,文献报导了制备一维纳米材料的多种方法,如溶胶-凝胶法、气相-溶液-固相法、声波降解法、溶剂热法、模板法、化学气相沉积法等。然而不同制备方法的纳米晶体生长机制各异。本文按不同生长机制分类概述,主要介绍气相法、液相法、模板法三大类制备方法。 1.1 气相法 在合成一维纳米结构时,气相合成可能是用得最多的方法。气相法中的主要机

半导体纳米材料的制备方法

摘要:讨论了当前国内外主要的几种半导体纳米材料的制备工艺技术,包括物理法和化学法两大类下的几种,机械球磨法、磁控溅射法、静电纺丝法、溶胶凝胶法、微乳液法、模板法等,并分析了以上几种纳米材料制备技术的优缺点关键词:半导体纳米粒子性质;半导体纳米材料;溶胶一凝胶法;机械球磨法;磁控溅射法;静电纺丝法;微乳液法;模板法;金属有机物化学气相淀积引言 半导体材料(semiconductormaterial)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内)。相对于导体材料而言,半导体中的电子动能较低,有较长的德布罗意波长,对空间限域比较敏感。半导体材料空间中某一方向的尺寸限制与电子的德布罗意波长可比拟时,电子的运动被量子化地限制在离散的本征态,从而失去一个空间自由度或者说减少了一维,通常适用体材料的电子的粒子行为在此材料中不再适用。这种自然界不存在,通过能带工程人工制造的新型功能材料叫做半导体纳米材料。现已知道,半导体纳米粒子结构上的特点(原子畴尺寸小于100nm,大比例原子处于晶界环境,各畴之间存在相互作用等)是导致半导体纳米材料具有特殊性质的根本原因。半导体纳米材料独特的质使其将在未来的各种功能器件中发挥重要作用,半导体纳米材料的制备是目前研究的热点之一。本文讨论了半导体纳米材料的性质,综述了几种化学法制备半导体纳米材料的原理和特点。

2.半导体纳米粒子的基本性质 2.1表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,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平方米,这时的表面效应将不容忽略。 随着纳米材料粒径的减小,表面原子数迅速增加。例如当粒径为10nm 时,表面原子数为完整晶粒原子总数的20%;而粒径为1nm时,其表面原子百分数增大到99%;此时组成该纳米晶粒的所有约30个原子几乎全部分布在表面。由于表面原子周围缺少相邻的原子:有许多悬空键,具有不饱和性,易与其他原子相结合而稳定下来,故表现出很高的化学活性。随着粒径的减小,纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2*10-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多李晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。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10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。 因此想要获得发光效率高的纳米材料,采用适当的方法合成表面完好的半导体材料很重要。 2.2量子尺寸效应 量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。当半导体材料从体相减小到某一临界尺寸(如与电子的德布罗意波长、电子的非弹性散射平均自由程和体相激子的玻尔半径相等)以后,其中的电子、空穴和激子等载流子的运动将受到强量子封

纳米材料制备方法

纳米微粒制备方法研究进展 刘伟 (湘潭大学材料科学与工程学院,13材料二班,2013701025) 摘要:纳米微粒一般是指粒径在1nm到100nm之间,处在原子簇和宏观物体交接区域内的粒子,或聚集数从十到几百范围的物质。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特点,因而有许多与传统的晶体和非晶体不同的独特性质,也与组成它们的分子或原子差异很大,在材料学、物理学、化学、催化、环境保护、生物医学等领域具有十分广阔的应用前景。本文综述目前纳米微粒的主要的制备方法, 比较和评述了每种方法的特点,以期这一新材料能得以更为深入地研究和更广泛地应用。 关键词:纳米微粒;制备;方法 1.引言 纳米微粒的制备方法从物料的状态来分,可归纳为固相法、液相法、气相法3大类;从物料是否发生化学反应而分为物理法、化学法及近年迅速发展的模板合成法、仿生法等;随着科技的不断发展及对不同物理、化学特性超微粒子的需求,又派生出许多新的技术,下面就着重介绍固相法、液相法和气相法。 2.固相法 固相法是一种传统的粉化工艺,具有成本低、产量高、制备工艺简单的优点。固相法分为固相机械粉碎法和固相反应法。固相机械粉碎法借用诸如搅拌磨、球磨机、气流磨、塔式粉碎机等多种粉碎机,利用介质和物料之间的相互研磨和冲击的原理,使物料粉碎,常用来制备微米级粒径的粉体颗粒。此法存在能耗大、颗粒粒径分布不均匀、易混入杂质、颗粒外貌不规则等缺点,因而较少用以制备纳米微粒。固相反应法是将固体反应物研细后直接混合,在研磨等机械作用下发生化学反应,然后通过后处理得到需要的纳米微粒。该方法一般要加入适量表面活性剂,所以有时也称湿固相反应。该方法具有工艺简单、产率高、颗粒粒子稳定化好、易操作等优点,尤其是可减少或避免液相中易团聚的现象。[4] 3.液相法 液相法是目前实验室和工业生产中较为广泛采用的方法。通常是让溶液中的不同分子或离子进行反应,产生固体产物。产物可以是单组分的沉淀,也可以是多组分的共沉淀。其涉及的反应也是多种多样的,常见的有:复分散反应、水解反应、还原反应、络合反应、聚合反应等。适当控制反应物的浓度、反应温度和搅拌速度,就能使固体产物的颗粒尺寸达到纳米级。液相法具有设备简单、原料易得、产物纯度高、化学组成可准确控制等优点。下面主要介绍其中的沉淀法和微乳液法。 3.1 沉淀法 沉淀法是液相法制备金属氧化物纳米微粒最早采用的方法。沉淀法基本过程是:可溶性化合物经沉淀或水解作用形成不溶性氢氧化物、水合氧化物或盐类而析出,经过滤、洗涤、煅烧得到纳米微粒粉末。沉淀法又分为均相沉淀法和共沉淀法。沉淀法工艺简单、成本低、反应时间短、反应温度低,易于实现工业化生产。但是,沉淀物通常为胶状物,水洗、过滤较困难;所制备的纳米微粒易发生团聚,难于制备粒径小的纳米微粒。沉淀剂容易作为杂质混入产物之中。此外,还由于大量金属不容易发生沉淀反应,因而这种方法适用面较窄。[3]

电化学在制备纳米材料方面的应用

电化学在制备纳米材料方面的应用 摘要:应用电化学方法制备纳米材料是近年来发展起来的一项新技术。本文对应用电化学技术制备纳米材料的方法进行分类,着重介绍了电化学沉积法、电弧法、超声电化学法和电化学腐蚀法,并对其应用前景做了展望。 关键词:电化学纳米材料电沉积 1 前言 纳米材料和纳米技术被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。纳米材料是指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。当材料的粒子尺寸小至纳米级时,材料就具有普通材料所不具备的三大效应:(1)小尺寸效应,指当纳米粒子的尺寸与传统电子的德布罗意波长以及超导体的相干波长等物理尺寸相当或更小时,其周期性的边界条件将被破坏,光吸收、电磁、化学活性、催化等性质发生很大变化的效应;(2)表面效应,指纳米微粒表面原子与总原子数之比。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。由于表面原子数增加,原子配位不足及高的表面能,使得这些表面原子具有高的活性,极不稳定,使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性;(3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。研究发现,一些宏观量,如纳米粒子的磁化强度、量子相干器件中的磁通量也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应。正是由于纳米材料具有上面的三大效应,才使它表现出:(1)高强度和高韧性;(2)高热膨胀系数、高比热容和低熔点;(3)异常的导电率和磁化率;(4)极强的吸波性;(5)高扩散性等令人难以置信的奇特的宏观物理特性。 自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”,我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。 由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响,因此,纳米材料形貌和尺寸的控制在纳米材料合成中是非常重要的。 目前制备纳米材料主要采用机械法、气相法、磁控溅射法等物理方法和溶胶—凝胶法、离子液法、溶剂热法、微乳法化学方法。但在这些方法中,机械法、气相法、磁控溅射法的生产设备及条件要求很高,生产成本高;化学方法中的离子液法和微乳法是近几年发展起来的新兴的研究领域,同时离子液离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好等独特的物理化学性质,但是离子液体用于纳米材料制备的技术还未成熟。 应用电化学技术制备纳米材料由于简单易行、成本低廉等特点被广泛研究与采用。与其他方法相比,电化学制备方法主要具有以下优点:1、适合用于制备的纳米晶金属、合金及复合材料的种类较多;2、电化学制备纳米材料过程中的电位可以人为控制。整个过程容易实现计算机监控,在技术上困难较小、工艺灵活,易于实验室向工业现场转变;3、常温常压操作,避免了高温在材料内部引入的热应力;4、电沉积易使沉积原子在单晶基底上外延生长,可在大面积和复杂形状的零件上获得较好的外延生长层。 电化学方法已在纳米材料的制备研究领域取得了一系列具有开拓性的研究成果。本文综述了应用电化学技术制备纳米材料的主要的几种方法及其制备原理,并对其优劣进行了比较。 2 应用电化学技术制备纳米材料的种类 2.1 电化学沉积法 与传统的纳米晶体材料制备相比,电沉积法具有以下优点:(1)晶粒尺寸在1~100 nm内;(2)

纳米材料的合成及其应用

纳米材料的合成及其应用 摘要:本文介绍了几种纳米材料的合成制备的方法,主要是固相法、液相法和气相法,并且简单的介绍了其应用领域。 关键词:纳米材料、固相法、液相法、气相法 引言: 纳米级结构材料简称为纳米材料,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。纳米材料出现的重要科学意义在于它引领人们认识自然的新层次,是知识创新的亮点。在纳米领域发现新现象,提出新概念,认识新规律,建立新理论,为构建纳米材料科学体系新框架奠定基础[1]。材料的结构决定材料的性质。 纳米材料产生的特殊效应,具有常规材料所不具备的性能,使得它在各个方面的潜在应用极为广泛,并且非常普遍[2~4]。 一、纳米材料的制备方法 1. 固相法 传统的固相合成法反应温度较高,能耗太,而且难以得到高纯度、各组分完全均匀、物相单一的产物,因而不宜用来制各纳米氧化物。 传统的固相法是将金属盐和金属氢氧化物按一定的比例充分混合,发生复分解反应生成前驱物,多次洗涤后充分研磨进行煅烧,然后再研磨得到纳米粒子。此法设备和工艺简单,反应条件容易控制,产率高,成本低,环境污染少,但产品粒度分布不均,易团聚。刘长久等[5]采用固相反应法制备了粒径为30nm的NiO纳米粉体,并对其电化学性能进行了研究。Feng Li等[6]在环境温度下用固相反应成功地合成了纳米氧化物SiO2、 CeO2、SnO2,并初步探讨了环境温度下纳米材料的形成机理。贾殿赠等[7]对此法进行了改进,在固相配位化学反应的基础上,将室温固相配位化学反应引入金属氧化物纳米粒子的合成中,提出一种室温固相化学反应合成纳米材料的新方法,即用室温固相化学反应首先制得前驱物,进而前驱物经热分解得纳米金属氧化物。此法不仅是无溶剂反应,而且许多反应可在室温或低温条件下发生。因此从原料的使用、合成条件及合成工艺等方面考虑,固相配位化学反应法在合成新颖纳米材料方面具有其潜在的优点。目前采用此新方法已制得纳米CuO[8]、ZnO、NiO等。

半导体纳米材料的制备

新型半导体纳米材料的制备

摘要: 简要论述了半导体纳米材料的特点,着重讨论了当前国内外主要的几种半导体纳米材料的制备工艺技术,包括溶胶一凝胶法、微乳液法、模板法、基于MBE 和MOCVD的纳米材料制备法、激光烧蚀法和应变自组装法等,并分析了以上几种纳米材料制备技术的优缺点及其应用前景。 关键词: 纳米材料;溶胶一凝胶法;分子束外延;金属有机物化学气相淀积;激光烧蚀淀积:应变自组装法; Several Major Fabrication Technologies of Novel Semi conductor Nanometer Materials Abstract: The characteristics of semiconductor nanometer materials are introduced. Several major fabrication technologies of semiconductor nanometer materials are discussed,including sol-gel process,tiny-latex process,template process,based on MBE and MOCVD,laser-ablation and strain-induced self-organized process,their advantages and disadvantages and their prospects are analyzed. Key words: nanometer material;sol-gel process; MBE; MOCVD: laser ablation deposition; strain-induced self-organized process; 1.引言

纳米材料制备技术

纳米材料及其制备技术研究进展评述 摘要 纳米材料作为物质存在的一种新状态,其应用前景已逐渐被人们所认识,纳米材料的制备与研究向各个领域的渗透日益广泛和深入,近年来受到科学界的广泛重视。为适应未来纳米技术和纳米材料发展的需要,很有必要对纳米材料的制备技术进行总结。本文将从纳米材料的概况,制备工艺,及其部分应用等方面作出综合评价。 关键词 纳米材料,性能,制备方法,应用

1 概述 1.1 纳米的基本概念及内涵 纳米是一种长度单位,一纳米相当于十亿分之一米,大约相当于几十个原子的长度。 纳米科学技术(Nano-ST) 是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技,它的基本涵义是在纳米尺寸(10-9—10-7m) 范围内认识及改造自然,通过直接操作及安排原子,分子来创造新的物质。 早在1959年美国著名物理学家,诺贝尔奖金获得者费曼就设想::“如果有朝一日,人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内,并能移动原子,那将给科学带来什么?”这正是对于纳米科技的预言,也就是人们常说的小尺寸大世界。 纳米科技是研究由尺寸在0.1至100nm之间的物质组成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: (1).纳米体系物理学; (2).纳米化学; (3).纳米材料学; (4).纳米生物学; (5).纳米电子学; (6).纳米加工学; (7).纳米力学; 这七个部分相对独立. 隧道显微镜在纳米科技之 中占有重要地位,它贯穿到 七个领域中,以扫描隧道显 微镜为分析和加工的手段 占有一半以上。扫描隧道显微镜(STM)工作原理简图[14]

1.2 纳米材料概述及其分类: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围,或由他们作为基本单元构成的材料,如果按维数,纳米材料的基本单元可分为三类: 1. 零维,指在空间三维尺度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒、原子团簇等。 2. 一维,指在空间中有两维处于纳米尺度,如纳米丝,纳米管,纳米棒等。 3. 二维,指在三维空间中有一维在纳米尺度,如超薄膜,多层膜,超晶格等。 因为这些单元往往具有量子性质,所以对零维,一维,二维的基本单元又分别有量子点,量子线,量子阱之称。 1.3 纳米材料的特性 小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波的波长,传导电子的得布罗意波长以及超导态的相干长度或透深度等物理特征尺寸相当时,晶体周期性的边界条件将破坏,声,光,电,磁,热,力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。 表面与界面效应 纳米微粒由于尺寸小,表面积大,表面能高。因此其活性极高,极不稳定,很容易与其他原子结合。 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级。纳米微粒的声,光,电,磁,热以及超导性与宏观特性有着显著的不同,这被称为量子尺寸效应。 宏观量子隧道效应 隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力,人们发现一些宏观量,如磁化强度,量子相干器中的磁通量等具有隧道效应,称之为宏观量子隧道效应。 由于以上4个效应的存在,纳米材料呈现如下的宏观物理性能:(1)高强度和高韧性;(2)高热膨胀系数,高比热容和低熔点;(3)异常的导电率和磁化率;(4)极强的吸波性;(5)高扩散性。

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