第一章 纳米材料的基本概念-2014-PDF

纳米材料制备技术许路（上海交通大学 材料科学与工程学院 F9905103班）摘 要：纳米材料作为材料科学中的重要一元，近年来受到科学界的广泛重视。

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，制备方法§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，如纳米四、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。

可编辑修改精选全文完整版绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。

Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。

2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。

（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。

4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。

分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。

5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。

可用于研究半导体、导体和绝缘体。

AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。

6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。

纳米材料定义纳米材料是一种材料，其尺寸在纳米尺度范围内，通常是1到100纳米之间。

这种尺寸范围的材料具有独特的物理、化学和生物学特性，与传统的宏观材料相比，纳米材料表现出了许多不同的性质和行为。

纳米材料的定义主要是基于其尺寸的微小特性，而不是其化学成分或结构。

纳米材料的尺寸范围使其具有许多特殊的性质。

首先，纳米材料的比表面积非常大，这意味着它们在单位质量或体积下能够展现出更多的表面活性。

其次，由于纳米尺度下的量子效应，纳米材料的光学、电子和磁性质也会发生显著变化。

此外，纳米材料还表现出了优异的力学性能，比如强度、硬度和韧性等方面都有所提升。

这些特殊性质使得纳米材料在许多领域都具有广泛的应用前景。

在纳米材料的定义中，不仅包括了纳米颗粒和纳米结构材料，还包括了由纳米结构组成的复合材料和纳米涂层等。

纳米颗粒是最常见的纳米材料之一，它们通常由金属、氧化物或碳等材料构成，具有较大的比表面积和高度的化学活性，因此在催化、传感、药物输送等领域有着广泛的应用。

而纳米结构材料则是由纳米尺度的结构单元组成，比如纳米线、纳米管和纳米片等，这些结构材料通常具有优异的电子、光学和热学性能，因此在电子器件、光电器件和能源材料等方面有着重要的应用价值。

除了以上所述的应用领域外，纳米材料还在生物医学、环境保护、新能源等领域有着重要的应用价值。

比如，纳米材料可以用于制备生物传感器、药物载体和组织工程支架，用于治疗疾病和修复组织。

在环境保护方面，纳米材料可以用于污水处理、大气净化和环境监测等方面。

在新能源领域，纳米材料也可以用于太阳能电池、燃料电池和储能材料等方面，以提高能源转换效率和储能密度。

总的来说，纳米材料的定义是基于其尺寸范围的微小特性，这种微小特性赋予了纳米材料许多独特的物理、化学和生物学特性，使得其在许多领域都具有重要的应用价值。

随着纳米科技的不断发展，纳米材料必将在材料科学、生物医学、环境保护、新能源等领域发挥越来越重要的作用。

纳米材料的基本概念与性质纳米材料是指在尺寸范围为纳米级别的材料，即其尺寸在1到100纳米之间。

相对于常规材料，纳米材料具有特殊的性质和特点，这主要源于其尺寸效应、表面效应和量子效应等纳米尺度效应的影响。

下面将详细介绍纳米材料的基本概念和性质。

首先，纳米材料具有尺寸效应。

当材料的尺寸处于纳米级别时，与常规材料相比，纳米材料的许多物理、化学和力学性质都会有显著改变。

例如，金属纳米颗粒的熔点和磁性会发生变化，纳米薄膜表面的扩散速率会增大，高填充纳米孔隙材料的机械强度也会增加。

这些尺寸效应的改变使得纳米材料在电子、光学、催化等领域具有广泛的应用潜力。

其次，纳米材料表面效应对其性质也产生了重要影响。

相对于体积物质，纳米材料拥有更大的表面积，这意味着纳米颗粒或纳米薄膜的许多原子都处于表面状态。

表面效应的存在改变了纳米材料的电子结构、晶粒尺寸和化学反应活性等性质。

由于表面活性的提高，纳米材料能更好地催化反应、吸附和储存气体、改善电池材料性能等。

另外，量子效应也是纳米材料的重要特点之一、当纳米材料的尺寸缩小到纳米级别时，其原子和分子的量子效应开始显现。

量子效应使得纳米材料的光学、电子和磁性能等性质有显著变化。

例如，纳米发光材料的荧光强度和波长会受到量子尺寸限制的影响，纳米晶体管中的载流子行为也会发生量子限制的变化。

因此，纳米材料的量子效应使得其在量子计算、纳米电子学和纳米光学等领域具有独特的应用优势。

除了尺寸、表面和量子效应之外，纳米材料还具有其他特殊性质。

例如，纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应可用于快速检测和分析微量物质的存在；纳米结构的多孔性使其具有大的比表面积和高的吸附能力，有利于储能、催化和环境修复等应用；一些金属纳米材料具有独特的光学性质，如银纳米颗粒的表面等离子体共振现象，可用于增强光子学器件的性能。

总之，纳米材料是在纳米尺度下制备和应用的材料，其独特的性质和特点使其在诸多领域具有广泛应用的潜力。

纳米材料的尺寸效应、表面效应、量子效应以及其他特殊性质使其成为材料科学和工程领域中的研究热点，并在电子、光学、催化、生物医学和环境等领域得到广泛应用。

1、纳米是什么？纳米的英文名称是：nano meter，简称nm。

一种长度单位，一等于十亿分之一米，千分之一微米。

大约是三、四个原子的宽度。

2、纳米科学技术纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。

纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。

纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。

纳米材料与纳米粒子1、纳米材料(nano material)，纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。

2、纳米粒子(nano particle)，纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。

纳米材料的奇异特性1、表面效应：粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。

这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。

表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。

2、小尺寸效应：指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。

这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。

3、体积效应：指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。

纳米材料技术纳米材料技术是一项新兴的技术，它的发展和应用对于现代科技和工业的发展有着至关重要的作用。

在过去的几十年中，纳米材料技术已经得到了广泛的研究和应用，它涉及到了物理学、化学、生物学、医学等多个领域。

本文将从纳米材料技术的基本概念、发展历程、应用领域以及未来发展等方面进行探讨。

一、纳米材料技术的基本概念纳米材料是一种尺寸在1~100纳米之间的物质，它具有与普通材料不同的物理、化学、生物学等性质。

纳米材料技术是一种通过制备、控制、应用纳米材料的方法和技术，来开发和应用这些材料的技术。

纳米材料技术主要包括纳米制备技术、纳米表征技术、纳米加工技术和纳米应用技术等方面。

二、纳米材料技术的发展历程纳米材料技术的发展可以追溯到20世纪60年代。

当时，科学家们发现，通过制备纳米级别的材料可以获得一些新的物理、化学、生物学等性质，这些性质在普通材料中是不存在的。

在此基础上，科学家们开始开展了纳米材料的研究，并逐渐发展出了纳米制备技术、纳米表征技术、纳米加工技术和纳米应用技术等方面的技术和方法。

随着研究的深入和发展，纳米材料技术已经得到了广泛的应用。

目前，纳米材料已经应用于电子、光电子、信息、能源、化学、生物医学、环境等多个领域。

同时，纳米材料技术也成为了国际上的一个热门研究领域。

三、纳米材料技术的应用领域1. 电子领域纳米材料技术在电子领域的应用非常广泛。

例如，纳米晶体管、纳米电极、纳米电容器等器件的制备和应用，可以使电子器件的性能得到大幅度提升。

此外，纳米材料也可以用于制备高性能的电子材料，如纳米金属、纳米半导体等材料。

2. 光电子领域纳米材料技术在光电子领域的应用也非常广泛。

例如，纳米光子学、纳米光电器件等技术的应用，可以使光电子器件的性能得到大幅度提升。

此外，纳米材料也可以用于制备高性能的光电子材料，如纳米光学材料、纳米光电子材料等材料。

3. 信息领域纳米材料技术在信息领域的应用也非常广泛。

例如，纳米存储器件、纳米传感器等器件的制备和应用，可以使信息设备的性能得到大幅度提升。

纳米材料的概述、制备及其结构表征1.引言1.1 概述纳米材料是指具有纳米级尺寸（一般指直径小于100纳米）的材料。

由于其特殊的尺寸效应和界面效应，纳米材料呈现出与宏观材料不同的物理、化学和生物学性质，具有广泛的应用价值和研究前景。

纳米材料的制备方法主要包括物理法、化学法和生物法等。

物理法主要利用物理手段将宏观材料加工成纳米级颗粒，如球磨法、激光烧结法等；化学法则是通过化学反应控制合成纳米材料，如溶胶-凝胶法、溶液法等；生物法则是利用生物体内或生物体外的生物学过程合成纳米材料，如生物矿化法、酶法等。

不同的制备方法可以获得不同形态、尺寸和结构的纳米材料。

纳米材料的结构表征是研究纳米材料的重要手段。

常用的结构表征方法包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和红外光谱等。

这些技术可以观察和分析纳米材料的形貌、尺寸、晶体结构和化学组成，为纳米材料的制备和性质研究提供重要依据。

纳米材料的应用前景广阔。

由于其特殊性能，纳米材料在能源、催化、电子、生物医学等领域具有重要的应用潜力。

例如，纳米材料可以用于改善太阳能电池的效率、提高催化反应的效果，并在生物传感器和药物输送系统中发挥重要作用。

纳米材料的制备和结构表征对于纳米材料研究具有重要意义。

制备方法的选择和调控可以获得具有特定结构和性能的纳米材料，而结构表征则可帮助我们了解纳米材料的内部结构和相互作用机制，进一步优化和改进纳米材料的性能。

然而，纳米材料研究还面临一些挑战和问题。

首先，制备纳米材料的方法仍然存在一定的局限性，如难以控制材料的形貌和尺寸分布；其次，纳米材料的安全性和环境影响是需要进一步研究和评估的重要问题；此外，纳米材料的应用还需要解决稳定性、可持续性和成本等方面的挑战。

总之，纳米材料具有独特的性质和广泛的应用前景。

通过制备和结构表征的研究，可以进一步深入理解纳米材料的特性和行为，为其在不同领域的应用和发展提供科学依据和技术支持。

纳米材料定义纳米材料是指至少在一维尺度（即长度、宽度或厚度）上尺寸在1到100纳米之间的材料。

纳米材料可以是纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米片等形态，也可以是由这些形态组成的复合材料。

由于其尺寸处于纳米级别，纳米材料具有独特的物理、化学和生物学特性，因此在材料科学、纳米技术、生物医学等领域具有广泛的应用前景。

首先，纳米材料的定义需要强调其尺寸在纳米级别，这是其与传统材料的显著区别。

纳米材料的尺寸特征决定了其具有独特的量子效应、表面效应和尺寸效应，因此在一些特定的应用中表现出与传统材料不同的性能。

其次，纳米材料的独特性质使其在多个领域具有重要应用价值。

在材料科学领域，纳米材料的高比表面积、尺寸效应和表面效应使其具有优异的力学、光学、磁学、电学等性能，被广泛应用于传感器、催化剂、储能材料等领域。

在纳米技术领域，纳米材料的特殊性质为纳米器件、纳米结构和纳米加工提供了基础，推动了纳米电子学、纳米光学、纳米传感等领域的发展。

在生物医学领域，纳米材料的生物相容性、靶向性和药物载体功能为药物输送、医学影像、肿瘤治疗等提供了新的途径。

此外，纳米材料的定义还需要考虑其制备和表征的特殊性。

由于纳米材料的尺寸处于纳米级别，其制备和表征需要借助于纳米技术和纳米分析技术。

纳米材料的制备方法包括物理方法（如溅射、化学气相沉积）、化学方法（如溶胶凝胶法、水热法）和生物方法（如生物合成、基因工程），表征方法包括透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜等。

总之，纳米材料是指尺寸在1到100纳米之间的材料，具有独特的物理、化学和生物学特性，因此在材料科学、纳米技术、生物医学等领域具有广泛的应用前景。

纳米材料的定义需要强调其尺寸特征、应用价值和制备表征方法，这有助于深入理解纳米材料的本质和特性，推动其在各个领域的应用和发展。

什么是纳米材料
纳米材料是指至少在一个空间尺度上具有一个尺寸小于100纳米的材料。

纳米材料通常具有特殊的物理、化学和生物学性质，这些性质与同一材料的宏观形式有很大的不同。

纳米材料可以是纳米颗粒、纳米线、纳米片或其他形式。

它们可以是纯的元素材料，也可以是化合物或合金。

纳米材料的独特性质主要源于其尺寸效应、表面效应和量子效应。

首先，纳米尺度下的材料具有更高的比表面积，这使得纳米材料在吸附、反应和传输等方面具有更强的活性。

其次，纳米材料的尺寸接近光的波长，因此它们对光的吸收、散射和发射具有特殊的影响。

最后，纳米材料的电子结构受到量子约束效应的影响，导致其电子输运、能带结构和光学性质发生变化。

纳米材料在许多领域具有广泛的应用前景。

在材料科学领域，纳米材料可以用于制备高性能的传感器、催化剂、电池和超级电容器。

在纳米电子学领域，纳米材料可以用于制备纳米器件和量子器件，以实现更高的集成度和更低的能耗。

在生物医学领域，纳米材料可以用于制备药物载体、生物成像剂和组织修复材料，以实现更精准的治疗和诊断。

然而，纳米材料也面临着一些挑战和风险。

由于其特殊的活性和毒性，纳米材料可能对环境和人体健康造成潜在的影响。

因此，在纳米材料的研究、开发和应用过程中，需要充分考虑其安全性和可持续性。

总的来说，纳米材料是一类具有特殊性质和潜在应用价值的材料，其研究和开发对于推动材料科学、纳米科技和生物医学领域的发展具有重要意义。

随着科学技术的不断进步，相信纳米材料将会在更多领域实现商业化应用，为人类社会带来更多的福祉和进步。

《纳米材料科学导论》课程教学大纲课程代码：ABCL0409课程中文名称：纳米材料科学导论课程英文名称：Introduction to nanomaterials science课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：材料化学专业本课程的前导课程：大学物理、物理化学、材料科学基础等一、课程简介纳米材料学科是近年来兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。

纳米材料科学导论以化学、化工、材料化学、高分子、应用化学、新能源材料与器件等专业对纳米材料感兴趣的高年级本科生为讲授对象，介绍纳米材料科学的基本知识体系。

二、教学基本内容和要求本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。

第零章绪论课程教学内容：纳米科技、纳米材料的概念与发展历史。

课程的重点、难点：纳米材料的概念是重点，难点是纳米材料的发展及纳米功能器件的制备。

课程教学要求：了解纳米科技的兴起、纳米材料的研究历史、纳米材料的主要研究内容、本课程的特点和学习方法。

第一章纳米材料的基本概念与性质课程教学内容：纳米材料的基本概念，纳米微粒的基本性质，电子能级的不连续性，量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应。

纳米微粒的基本性质，纳米微粒的物理特性，纳米微粒的结构与形貌，纳米微粒的热学性质，纳米微粒的磁学性质，纳米微粒的光学性质。

课程的重点、难点：重点：物质层次可以分为微观、介观和宏观三个层次。

纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为先导的。

微观粒子具有二象性，既具有粒子性，又具有波动性。

量子效应：原子和分子中的电子等粒子的能量量子化是电子受到原子核和其它电子所产生的力场的束缚而产生的，这些粒子可以存在多种运动状态，粒子分布呈现波动性。