纳米材料制备与应用技术

纳米金属材料的制备与应用

随着科技的不断进步和发展，纳米技术逐渐成为一个备受关注的领域。其中，纳米金属材料的制备与应用具有广泛的应用前景，因其在多个领域都有着卓越的性能。

一、纳米金属材料的制备

1.1 物理制备方法

物理制备方法是通过一定的物理性质，如能量、速度等来制备具有纳米级尺寸的金属颗粒。其中，常见的物理制备方法包括气相沉积、溅射、电子束蒸发等。

其中，气相沉积是将气态金属蒸汽通过真空技术，沉积在经过预处理的基底上，从而制备纳米金属材料。气相沉积制备出来的纳米金属材料具有颗粒分散性好、尺寸可控等优点。

1.2 化学制备方法

化学制备方法是通过一定的化学反应来合成金属颗粒，包括溶胶-凝胶法、还原法、电化学制备法等。其中，溶胶-凝胶法适用于制备高质量的纳米金属粉体和纳米金属薄膜，能制备出具有高表面积、高活性和高分散度的纳米金属材料。还原法利用一些还原剂（如NaBH4、HYD等）来将金属离子还原成金属颗粒，其优点在于操作简单、纯度高。

二、纳米金属材料的应用

纳米金属材料具有许多优异性能，如优异的物理性能、高活性表面、特殊的光学等，因而具有广泛的应用前景。

2.1 光催化

金属纳米材料的表面，会形成极其活性的表面态，对有机物和无机物具有显著的催化活性。利用这些催化活性，可以制备出高效的光催化材料。

例如，把纳米金属材料（如纳米银、纳米铜）负载在氧化锌颗粒上，可以得到用于降解污染物的高效光催化材料。此外，纳米块状PbO2/纳米铜复合物可以用于水处理，有效去除废水中的有机污染物。

2.2 电子器件

纳米金属材料在电子器件方面的应用也非常广泛。例如，纳米银颗粒常用于制造高效的导电膜，以及具有优异导电性能的屏幕等。

此外，通过在纳米金属材料表面修饰特定的有机分子，可以制备出分子电子器件，如分子场效应晶体管、分子光伏电池等。

2.3 生物应用

纳米金属材料在生物领域中，主要用于生物传感器、药物递送、诊断等领域。例如，通过修饰纳米金属材料表面的有机分子，可以制备出高灵敏的生物传感器。

东华大学研究生课程论文封面

教师填写：

得分

任课教师签名

年 月 日

学生填写：

姓名 吴佳骏 学号 1135001

专业 纺织材料与纺织品设计 导师 覃小红

课程名称 功能与技术纺织材料

任课教师 俞建勇 课程学分 2

上课时间 2014 至2015 学年 第 一 学期 星期 三

递交时间 2014年 月 日

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。

物理气相沉积技术及其在纳米材料制备中的应用

纳米材料作为一种在纳米尺度上具有特殊性质和应用价值的新型材料，已在诸多领域展现了广泛的应用前景。物理气相沉积技术 (Physical Vapor Deposition, PVD) 是制备纳米材料的重要手段之一，其基本特点是利用高能量粒子对固体表面进行打击、溅射并在另一处形成新材料的过程。本文将介绍PVD技术的基本原理及其在纳米材料制备方面的应用。

1. PVD技术的基本原理

PVD技术基于精细物理学和材料科学的理论基础，是通过控制严格的真空环境、电子束激发、离子轰击、蒸发等工艺，将金属、合金、化合物等材料从固态转变为气态，再通过约束等方法将气态物质转移到目标表面上，形成所需的薄膜或沉积物质。在具体的操作过程中，通常会采用真空室、热源、电源等设备来实现材料的升华、蒸发或溅射。

PVD技术的主要工艺流程包括以下几个步骤：

(1) 材料的升华或蒸发：采用熔融的方式或其他方式，将原始材料升华或蒸发，形成气态物质。

(2) 维持真空环境：将制备环境维持在高度真空状态，以防止气态物质在空气中与水分或氧气等的反应。

(3) 气态物质的传输：使用约束方法将气态物质传输到制备物质的表面。

(4) 沉积过程：将气态物质在制备物质的表面沉积，形成薄膜或其他制备物质。

2. PVD技术在纳米材料制备中的应用

PVD技术广泛应用于纳米材料的制备中，特别是在金属、半导体、薄膜等领域有着重要的应用，如下所示：

(1) 金属纳米材料的制备

通过PVD技术可以制备各种金属的纳米材料，如Au、Ag、Cu、Ni和Pt等，这些纳米材料具有比其它形态的同种金属粒子更优异的物理、化学和生物学特性，例如更小的粒径、更可控的表面活性和更好的生物相容性等。同时，PVD技术还可以制备多种形态的金属纳米材料，如球形、立方体、多面体等，具备良好的结构性能和表面活性，应用于催化、表面增强拉曼光谱、电子器件等方面。

暑

假

实

习

论

文

题 目: 纳米材料及其应用

学 院 软件与通信工程学院

学生姓名 XXX 学 号 XXXX

专 业 电子科学与技术 届 别 2011届

指导教师 白耀辉博士 李刚博士 尧文元博士

二O一一 年 七 月

纳米材料及其应用

内容摘要

1.纳米材料定义

2.国内外研究进展

3.应用领域及原理

应用领域

◇纳米技术在陶瓷领域方面的应用

◇纳米技术在微电子学上的应用

◇纳米技术在生物工程上的应用

应用原理

◇量子尺寸效应

◇小尺寸效应

◇纳米材料的热学特性

◇纳米材料的磁学特性

◇纳米材料的光学特性

4.制备方法

◇激光诱导化学气相沉积法

◇低温等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）

◇液相法制备纳米材料

一． 纳米材料定义

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。

在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。