纳米材料

《电　碳》　

纳米科技与纳米材料　

张廷楷（重庆大学材料学院）　

一、前言　《纳米世纪——奇迹、革命与未来世界》　一书是由中国的两位青年经济学家赵振华和　曹新用一年的时间共同创作完成的。书中前　瞻性地展示和辩证地论述了已到来的新世　纪，将是纳米科技的世纪。纳米科技将引发　新一轮的工业革命，人类社会的众多行业将　被改造，并将推动人类社会政治、经济、军事　以及意识形态、伦理道德、价值观念、生活方　式的革命。该书被美国赛门（Ｓｉｍｏｎ）新经济　联合基金会购买了其非中文版版权，以　１５２．６万美元的价格，创造了中国单本出版　物国外版权转让费的最高纪录。　我国著名科学家钱学森在９０年代初就　曾预言，认为纳米左右和纳米以下的结构是　下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革　命，从而将是２１世纪又一次产业革命。　美国政府将纳米技术列为本世纪平行于　生命科学、信息技术和环境科学的四大研究　领域之一，而先进材料和先进制造业是这四　大领域的支柱。　美国《时代》周刊把纳米技术选定为“今　后十年最可能使人类发生巨大变化的十项技　术”之一；美国１９９５—２００５年十大国家研究　项目中有五项与纳米技术有关；２０００年２月　７日，美国国家科学技术委员会在《国家纳米　技术推进计划》（ＮＮＩ）中把纳米技术正式提　升为未来５０年内保证美国全球竞争优势的　战略性技术。　我国在科学技术部、国家自然科学基金　委员会、教育部和中国科学院等有关部门的　支持下，将纳米技术和纳米材料列入“８６３”、　“９７３”等科研计划，并确定其为“高度重视并　大力发展的九大关键技术”之一。　总之，纳米科学与技术是２１世纪的高新　技术，是２１世纪的三大科技之一，它将导致　人类认识和改造世界能力的重大突破。　二、纳米科学与技术的基本概念　１９９０年７月在美国巴尔基摩召开了国际　第一届纳米科学技术会议，这次会议标志着　纳米科技领域的正式形成。１９９２年９月在墨　西哥召开了国际第一届纳米结构材料会议，　正式把纳米材料作为材料科学的一个新的分　支公布于世。　在广大的自然界、生物界中早已充满了　纳米科学的内涵。考古发现古代动物和类人　猿的牙齿化石为什么还那么坚硬和具有光泽　呢？研究发现在齿的外表面排列着纳米尺寸　的微晶；千百年前制作的古铜镜为什么到今　天依然光可鉴人？这都是因为它们表面有一　层纳米级的晶粒组成。又如鸽子放飞千里之　外也能返家，蚂蚁外出爬来爬去也不会迷路，　这是因为其体内的纳米级的机构（也可认为　是“纳米机器”）能够在地球磁场的作用下转　换为化学能的光合作用就是纳米工厂的典型　例子。对我们人类来说，效法生物界、自然界　来实现科学和技术上的纳米级控制和操作仅　仅是开始，但已初步显示其广阔的应用前景。　纳米：纳米是一种几何尺寸的量度单位　（即一个长度单位），简写为ｎｍ（ｎａｎｏｍｅｔｅｒ）。　１ｎｍ＝１０一　ｍ（微米）＝１０　ｍｍ（毫米）＝　１０　ｍ（米）。也就是说，纳米的长度为一米　的十亿分之一、为一毫米的百万分之一，约等　

纳米材料研究综述

纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种固态材料, 其晶粒或颗粒尺寸在 1～ 100 nm 数量级, 主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成 , 其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面, 晶界原子达 15%～50%,且原子排列互不相同,界面周围的晶格原子结构互不相关, 使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态。此外 ,由于纳米晶粒中的原子排列的非无限长程有序性 ,使得通常大晶体材料中表现出的连续能带分裂为接近分子轨道的能级 。高浓度界面及原子能级的特殊结构, 使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如表面效应 、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等, 导致了纳米材料的力学性能、磁性、介电性 、超导性光学乃至力学性能发生改变,使之在电子学、光学 、化工陶瓷 、生物、医药等诸多方面具有重要价值, 得到了广泛应用

1 纳米材料研究的现状与特点

1.1 纳米材料研究的现状

上世纪 70 年代纳米颗粒材料问世, 80 年代中期在实验室合成了纳米块体材料 ,80 年代中期以后, 成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点。可大致分为 3 个阶段 ;第一阶段(1990 年以前), 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体, 合成块体(包括薄膜),研究评价表征的方法, 探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能;第二阶段(1994

年前), 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能 ,设计纳米复合材料, 通常采用纳米微粒与纳米微粒复合, 纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜;第三阶段(从 1994年到现在), 纳米组装体系 、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注 ,正在成为纳米材料研究的新的热点。

1.2 纳米材料研究的特点

(1)纳米材料研究的内涵逐渐扩大 第一阶段主要集中在纳米颗粒(纳米晶 、纳米相 、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体,到第三阶段纳米材料研究对象发展到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶)。

纳米材料有哪些

纳米材料是指至少有一个尺寸在1-100纳米之间的材料，这些材料具有独特的物理、化学和生物学特性，广泛应用于材料科学、生物医学、能源和环境等领域。纳米材料的种类繁多，下面将介绍一些常见的纳米材料及其应用。

一、纳米碳材料。

1. 石墨烯。

石墨烯是由碳原子构成的二维晶格结构，具有优异的导电性、热导性和机械性能，被广泛应用于电子器件、传感器、储能材料等领域。

2. 碳纳米管。

碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的纳米管状结构，具有优异的力学性能和导电性能，被应用于纳米电子学、纳米材料增强等领域。

3. 纳米金刚石。

纳米金刚石是由碳原子构成的立方晶格结构，具有硬度大、导热性好等特点，被广泛应用于涂层材料、生物医学材料等领域。

二、纳米金属材料。

1. 纳米银。

纳米银具有优异的抗菌性能，被广泛应用于医疗器械、纺织品等领域。

2. 纳米金。

纳米金具有优异的光学性能和催化性能，被应用于光电器件、催化剂等领域。

3. 纳米铜。 纳米铜具有优异的导电性能和力学性能，被广泛应用于电子器件、导电材料等领域。

三、纳米氧化物材料。

1. 纳米二氧化硅。

纳米二氧化硅具有优异的光学性能和表面活性，被广泛应用于光学涂料、生物医学材料等领域。

2. 纳米氧化铝。

纳米氧化铝具有优异的耐磨性和热稳定性，被应用于陶瓷材料、涂料材料等领域。

3. 纳米氧化铁。

纳米氧化铁具有优异的磁性能和生物相容性，被广泛应用于磁性材料、生物医学材料等领域。

四、纳米复合材料。

1. 纳米聚合物复合材料。

纳米聚合物复合材料是将纳米材料与聚合物基体复合而成的材料，具有优异的力学性能和导电性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。

2. 纳米陶瓷复合材料。

纳米陶瓷复合材料是将纳米材料与陶瓷基体复合而成的材料，具有优异的耐磨性和耐高温性能，被应用于机械制造、航空航天等领域。

以上就是关于纳米材料的介绍，纳米材料的种类繁多，每一种纳米材料都具有独特的特性和应用价值，随着科学技术的不断发展，相信纳米材料在未来会有更广阔的应用前景。

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。