第五讲 纳米一维材料

概述§1 一维纳米材料的发现及发展1.1气－液－固的生长机制制备半导体纳米线1.2层状卷曲机制制备一维纳米材料§2 纳米碳管的发展现状§3 纳米碳管的应用前景及发展方向3.1应用前景3.2发展方向§1一维纳米材料的发现及发展准一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度为宏观尺度的新型纳米材料。

1.1 气－液－固的生长机制制备半导体纳米线利用气－液－固的生长机制的激光烧蚀法制备半导体纳米线，通过控制催化剂合金颗粒的粒径和生长时间，实现了对多种纳米线的直径与长度的控制。

表1.1 用激光烧蚀法制备的半导体纳米线1.2 层状卷曲机制制备一维纳米材料主要利用低温水热合成方法制备一维纳米材料。

图1.1 层状卷曲机制示意图图1.2 层状卷曲机制制备的一维纳米材料(a)金属Bi纳米线；(b) 二硫化钨纳米线；(c) 金属钨单晶纳米线；(d) ZnO单晶有序阵列表1.2 层状卷曲机制制备的一维纳米材料§2 纳米碳管的发展现状1970年日本的大泽映二准确画出了C60的图形1985年H. W.Kroto和R. E. Smalley等用质谱仪研究激光蒸发石墨电极时发现了C60，并把具有类似的笼状结构的物质命名为富勒烯1990年W. Kratschmer等用石墨作电极通过直流电弧放电得到宏观量的C60,进而推动了富勒烯的研究1991年日本的饭岛博士首次用电弧蒸发法在高分辨电镜中发现了纳米碳管1992年T. W. Ebbesen和P. M. Ajayan合成了纯度更高的克量级纳米碳管1993年M. J. Yacaman等用化学气相沉积法以乙炔为碳源用铁作催化剂合成了多壁纳米碳管1994年S. Amelinckx用化学气相沉积法合成螺旋状纳米碳管1994年T. Gao等用激光照射含有镍和钴的碳靶得到单壁纳米碳管1994年P. M. Ajayan等将多壁纳米碳管与聚合物复合切成50-200nm后的薄片后首次得到排列整齐的多壁纳米碳管1996年A. Thess等用双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的炭块得到单壁纳米碳管形成的管束1996年戴宏杰等以CO为气源纳米颗粒的钼为催化剂合成出了单壁纳米碳管1997年C. Journet等用Ni/Y作催化剂得到高产率的单壁纳米碳管1998年成会明等首次得到了直径为1-2nm的单壁纳米碳管和由多根单壁纳米碳管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带1998年戴宏杰首先实现了在简单电路上生长单根单壁纳米碳管1999年成会明等开发出制备大量高纯度单壁纳米碳管的半连续氢电弧法2000年解思深等制得最小内径为0.5nm的多壁纳米碳管2001年R. R. Schlittler等热解有纳米图形的前驱体通过自组装合成了单壁纳米碳管单晶图1.3 各种纤维状炭的直径与平均层间距（d200）的比较§3 纳米碳管的应用前景及发展方向3.1 应用前景诺贝尔奖获得者R. E. Smalley称“纳米碳管将是价格便宜,环境友好并为人类创造奇迹的新材料”，可从以下六个方面进行说明：3.1.1 纳米尺度的器件表1.3 纳米碳管的可能应用领域3.1.2 制造纳米材料的模板图1.4 纳米碳管作模板进行的填充、包敷和空间限制反应的示意图3.1.3 电子材料和器件纳米碳管的特殊电性能使之适用于微电路中的量子线和异质结。

一维纳米材料一维纳米材料是指在一个维度上具有纳米尺度的尺寸特征的材料。

由于其尺寸非常小，一维纳米材料具有许多特殊的性能和应用潜力，因此受到了广泛的关注和研究。

一维纳米材料的制备方法有很多，比如纳米线的可控生长、纳米棒的光化学方法和碳纳米管的化学气相沉积等。

其中，碳纳米管是最具代表性的一维纳米材料之一。

碳纳米管是由碳原子以一种特定的方式排列而成，具有优异的力学性能、导电性能和热导性能。

由于这些优异的性能，碳纳米管在电子器件、储能材料和生物医学领域等方面具有广泛的应用前景。

另一个代表性的一维纳米材料是纳米线。

纳米线具有高比表面积和表面活性，使其具有优异的光学、电学和化学特性。

纳米线可以用来制备柔性电子器件、可拉伸电缆和高效的光电催化剂等。

同时，纳米线还可以用来制备纳米传感器，用于检测环境中的有害气体和微量分子。

除了碳纳米管和纳米线，金属纳米线、半导体纳米线和聚合物纳米线等一维纳米材料也具有重要的研究和应用价值。

金属纳米线由金属原子组成，具有窄的禁带宽度和高的载流子迁移率，可以用来制备高效的传感器和电子器件。

半导体纳米线由半导体材料构成，可以用于制备高效的太阳能电池和光电器件。

聚合物纳米线则可以用来制备高性能的有机场效应晶体管和柔性纳米电子器件。

一维纳米材料具有多种重要的应用潜力。

例如，它们可以用于制备高性能的传感器、储能材料和光电器件。

一维纳米材料还可以用于制备高效的催化剂，提高反应速率和选择性。

此外，一维纳米材料还可以用于生物医学领域，例如用于药物传输和疾病诊断。

总之，一维纳米材料具有许多独特的性能和应用潜力，对于科学研究和技术发展具有重要的意义。

随着纳米技术的不断发展，我们相信一维纳米材料将在各个领域得到更广泛的应用。

一维纳米材料
一维纳米材料是指至少有一个尺寸在纳米尺度（10^-9米）范围内的材料，但
其它两个维度的尺寸可以远远大于纳米尺度。

一维纳米材料包括纳米线、纳米棒、纳米管等，这些材料在纳米尺度下呈现出特殊的物理和化学性质，因此被广泛应用于各种领域。

一维纳米材料的制备方法多种多样，包括化学气相沉积、溶液法合成、电化学
沉积等。

其中，化学气相沉积是一种常用的方法，通过在高温下将气态前驱体转化为固态纳米材料，可以制备出高质量、高纯度的一维纳米材料。

溶液法合成则是通过在溶液中加入适当的前驱体，利用溶剂的挥发或化学反应来制备一维纳米材料，这种方法简单易行，适用于大规模生产。

一维纳米材料具有许多独特的性质，例如，纳米线的电学性质优异，可以用于
制备高性能的电子器件；纳米管具有优异的力学性能和热学性能，被广泛应用于纳米材料复合材料的制备；而纳米棒则具有优异的光学性能，可用于制备高效的光电器件。

这些特殊的性质使得一维纳米材料在电子、光电、传感、催化等领域有着广泛的应用前景。

除了应用领域的广泛性外，一维纳米材料还具有很强的研究价值。

通过对一维
纳米材料的研究，可以深入了解纳米尺度下的物理和化学性质，为纳米材料的设计与制备提供理论基础。

同时，一维纳米材料还可以作为纳米材料复合材料的增强相，提高复合材料的力学性能和热学性能。

总的来说，一维纳米材料具有独特的物理和化学性质，具有广泛的应用前景和
研究价值。

随着纳米技术的不断发展，一维纳米材料必将在各个领域发挥重要作用，推动科技的进步。

一维纳米材料的特点及应用嘿，大家好！今天我们聊聊一维纳米材料，这玩意儿听起来就很酷，对吧？一维纳米材料，简单来说，就是那些在一个维度上超细的材料，比如说纳米线、纳米棒，简直像是科学界的“竹子”，长得细长又灵活。

想象一下，平常我们看到的东西，像是手机、电脑，它们的性能都离不开这些小家伙。

它们就像是科技界的小助手，悄悄地为我们解决了很多难题。

咱们得说说这些材料的特点。

一维纳米材料可不是简单的细长，它们的表面积可大了去了。

光是这一点，就让它们在化学反应和电学应用上有了不少优势。

想象一下，一个小小的纳米线，其实它的表面有超级多的反应位点，就像是一个开满花的花园，吸引了许多“游客”，每一个“游客”都是化学反应的一部分。

这个特性让一维纳米材料在传感器和催化剂方面可谓是如鱼得水，效果杠杠的。

说到应用，那可真是广泛得让人目瞪口呆。

一维纳米材料在电子产品中的表现绝对不容小觑。

想想你的手机，里面可能就有纳米线作为导电材料，这让你的设备能更快地处理信息，运行得更流畅。

要是没有这些纳米材料，估计我们的手机会慢得像蜗牛，真是想想都可怕。

纳米材料还被用在太阳能电池里，帮助它们更有效地转换阳光为电能，简直就像给环保事业助了一把劲。

不仅如此，这些材料在生物医学领域也是大显身手。

纳米材料可以用于药物输送，想象一下，它们就像是穿梭在我们身体里的快递小哥，专门把药物送到需要的地方，省时又省力。

一些纳米材料还能帮助我们进行精准的疾病检测，早发现、早治疗，简直是健康的守护神！这种技术的出现，就像是给我们的健康上了双保险，让人心里倍儿踏实。

咱们也不能忽视它们在材料科学中的应用。

一维纳米材料的强度和韧性让它们在复合材料中成为了“明星”，提升了材料的整体性能。

想想看，以后我们的汽车、飞机可能会用到这些材料，轻而强，简直是科技的奇迹。

再加上这些材料的成本不断下降，未来会不会有一天，咱们的生活都离不开它们呢？这可是个值得期待的事情哦！说到这里，大家可能会好奇，这些材料有没有缺点呢？任何事情都有两面性。

一维纳米材料定义一维纳米材料是指至少有一个维度在纳米尺度范围内的材料，通常包括纳米线、纳米棒、纳米管等。

这些材料在纳米尺度下具有独特的物理、化学和电子性质，因此被广泛应用于纳米科技领域。

一维纳米材料的定义和研究对于理解纳米世界的特殊性质和开发新型纳米材料具有重要意义。

一维纳米材料的定义首先可以从其尺寸范围入手。

纳米尺度是指材料的尺寸在纳米级别，即10^-9米的量级。

一维纳米材料至少有一个维度在纳米尺度范围内，比如直径或者厚度在纳米级别。

这种尺寸特征使得一维纳米材料在表面积、电子输运、光学性质等方面表现出与宏观材料完全不同的特性，因而具有广泛的应用前景。

其次，一维纳米材料的结构也是其定义的重要组成部分。

常见的一维纳米材料包括纳米线、纳米棒和纳米管等。

这些结构在纳米尺度下呈现出独特的形貌和晶体结构，使得其在光电、催化、传感等领域具有重要的应用价值。

例如，纳米线由于其高比表面积和优异的电子输运性能，在太阳能电池、柔性电子器件等领域具有广泛的应用前景。

此外，一维纳米材料的制备方法也是其定义的重要内容。

目前，制备一维纳米材料的方法包括化学气相沉积、溶液法合成、电化学沉积等多种途径。

这些方法可以实现对一维纳米材料的精确控制，包括尺寸、形貌、结构和组分等方面的调控，为其在能源、催化、传感等领域的应用提供了重要的技术支持。

总之，一维纳米材料是指至少有一个维度在纳米尺度范围内的材料，具有独特的物理、化学和电子性质。

其定义涉及到尺寸范围、结构特征和制备方法等多个方面。

对一维纳米材料的定义和研究有助于深入理解纳米世界的特殊性质，推动纳米科技的发展，为新型纳米材料的设计和应用提供重要的理论和技术支持。

一维纳米材料
一维纳米材料是指至少有一个维度在纳米尺度范围内的材料，通常包括纳米线、纳米棒和纳米管等。

这些材料具有独特的电学、热学、光学和力学性质，因此在纳米科技领域具有广泛的应用前景。

首先，一维纳米材料在电子器件方面具有重要的应用。

由于其尺寸在纳米尺度，电子在其中的运动受到限制，因此表现出与传统材料不同的电学性质。

一维纳米材料的导电性能优异，可用于制备高性能的纳米电子器件，如纳米场效应晶体管、纳米逻辑门等，有望推动电子器件的迷你化和高性能化。

其次，一维纳米材料在光学领域也有着重要的应用价值。

由于其尺寸接近光波
长尺度，一维纳米材料对光的响应呈现出量子尺度效应，如光量子限制和光子输运等。

因此，一维纳米材料可以用于制备高效的光电转换器件，如纳米光伏电池、纳米光探测器等，有望推动光电子器件的微型化和高效化。

此外，一维纳米材料在传感器领域也有着广泛的应用前景。

一维纳米材料具有
高比表面积和优异的化学稳定性，可以用于制备高灵敏度、高选择性的传感器，如气体传感器、生物传感器等，有望推动传感器技术的微型化和智能化。

总的来说，一维纳米材料具有独特的电学、光学和传感性质，具有广泛的应用
前景。

随着纳米科技的不断发展，相信一维纳米材料将会在电子器件、光电转换器件和传感器等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展带来新的科技突破和应用创新。

一维纳米材料一维纳米材料是指在空间维度上为一维的纳米结构，通常具有纳米尺度的横截面尺寸和微观尺寸的长度。

它们具有特殊的物理、化学和电学性质，常常表现出与其宏观对应物质不同的特性。

以下是几种常见的一维纳米材料：1.纳米线（Nanowires）：纳米线是一种具有纳米尺寸横截面和微观尺寸长度的一维纳米结构，可以由金属、半导体或者绝缘体等材料构成。

它们具有高比表面积和优异的电学、光学和力学性质，广泛应用于纳米电子器件、传感器、光电器件等领域。

2.纳米管（Nanotubes）：纳米管是由碳、硼氮化物等材料构成的中空管状结构，具有特殊的电学、光学和力学性质。

碳纳米管是最常见的一种，具有优异的导电性、导热性和力学强度，被广泛应用于纳米材料、纳米器件和生物医学等领域。

3.纳米棒（Nanorods）：纳米棒是一种具有纳米尺寸横截面和微观尺寸长度的棒状结构，可以由金属、半导体或者绝缘体等材料构成。

它们具有可调控的形状、尺寸和结构，广泛应用于催化、传感、光学和生物医学等领域。

4.纳米线束（NanowireBundles）：纳米线束是由多个纳米线束在一起形成的束状结构，具有优异的电子输运性质和光学特性。

它们可以用于柔性电子器件、纳米传感器、纳米发电机等领域。

5.纳米纤维（Nanofibers）：纳米纤维是一种具有纳米尺寸横截面和微观尺寸长度的纤维状结构，可以由聚合物、金属、氧化物等材料构成。

它们具有高比表面积和优异的力学性能，广泛应用于纳米复合材料、组织工程、过滤材料等领域。

这些一维纳米材料具有独特的结构和性质，对于纳米科技的发展和应用具有重要意义。

通过精确控制其尺寸、形状、结构和表面性质等参数，可以实现对其性质和功能的调控，拓展其在材料科学、纳米电子学、纳米医学等领域的应用。

一维纳米材料的制备方法和性质应用纳米材料（nano materals）是指尺寸处于1-110nm之间的材料，或者更广泛的说至少有一个维度处于纳米尺寸范围的材料。

一维纳米材料，指材料的空间尺寸在三维方向上有两维处于纳米尺度范围内，主要形貌包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带等。

一维纳米材料具有广阔的潜在应用前景,如高密度存储记忆元件、超微型纳米阵列激光器、新型电子器件带等;制备出的一维纳米材料对基础研究和应用研究具有重要意义；一维纳米材料的制备方法以及其在能量转化、激光器和传感器等方面的应用研究情况。

一维纳米材料的制备方法目前制备一维纳米材料包括纳米电缆的方法很多，比较有代表性的有：电弧放电法、化学气相沉积法、激光溅射法、模板法。

（1）电弧放电法电弧放电法是制备纳米碳管最原始的方法,该方法也用于制备其它一维纳米材料。

在一个充有一定压力的惰性气体反应室中,装有一大一小两根石墨棒,其中面积大的为阴极,小的为阳极,两极间距为 1 mm。

Ebbesen T W 在直流电流为100 A,电压18 V, Ar气压66650 Pa (500 Torr )的条件下进行实验。

在放电产物中获得了大量的纳米碳管。

（2）化学气相沉积法化学气相沉积法通常是指反应物经过化学反应和凝结过程,生产特定产物的方法。

Yang等将MgO与碳粉作为原材料,放入管式炉中部的石墨舟内,在高纯流动Ar气保护下将混合粉末加热到约1200℃,则生成的MgO蒸气被流动Ar气传输到远离混合粉末的纳米丝生长区,制备了定向排列的MgO纳米丝。

Zhang等将经过8h热压的靶95%Si、5%Fe 置于石英管内,石英管的一端通入Ar气作为载气,另一端以恒定速率抽气,整个系统在1200℃保温20h后,成功地制备了上百微米的Si纳米线。

（3）激光溅射法(包括激光沉积法)激光溅射法也是制备一维纳米材料的重要方法。

激光溅射法所用的设备包括激光源、聚光镜、目标靶、管式炉、冷却环、真空泵和气流阀等几个部分组成。

一维纳米材料
一维纳米材料是指至少有一个尺寸在纳米尺度的材料，但其它两个尺寸可以是
微米或更大的材料。

这些材料通常具有独特的电子、光学和力学性能，因此在纳米科技领域有着广泛的应用前景。

首先，一维纳米材料具有高比表面积，这意味着它们可以提供更多的活性表面，从而在催化、传感和能源存储等领域具有潜在的应用。

例如，一维纳米材料可以作为高效的催化剂，用于提高能源转换效率和环境净化。

其次，一维纳米材料还具有优异的机械性能。

由于其高表面积和独特的结构，
一维纳米材料在增强材料、柔性电子器件和生物医学领域有着广泛的应用前景。

例如，碳纳米管可以作为高强度的纳米材料，用于制备轻质复合材料和高性能纳米传感器。

此外，一维纳米材料还具有优异的光学性能。

由于其尺寸与光波长相当，一维
纳米材料表现出与体材料不同的光学性质，如光子晶体的波导效应和光子禁带结构。

这些独特的光学性能使一维纳米材料在光子学器件、光电子器件和光催化等领域具有广泛的应用前景。

总的来说，一维纳米材料具有独特的电子、光学和力学性能，因此在催化、传感、能源存储、增强材料、柔性电子器件、生物医学、光子学器件、光电子器件和光催化等领域有着广泛的应用前景。

随着纳米科技的不断发展，相信一维纳米材料将会在更多领域展现出其巨大的应用潜力。

一维纳米材料，由于其具有沿一定方向的取向特性使其被认定为定向电子传输的理想材料，是可用于电子及光激子有效传输的最小维度结构，如场效应晶体管、共振隧道二极管、等纳米电子器件。

此外，一维纳米材料所具有的独特结构也使其在陶瓷增韧技术、微机电系统等领域发挥出独特优势。

一维纳米结构因集成了良好的电学、光学和化学性能而成为研究热点，并被广泛应用于各个领域。

纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。

最近，关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。

有人预计超微粒子催化剂在下一世纪很可能成为催化反应的主要角色。

尽管纳米级的催化剂还主要处于实验室阶段，尚未在工业上得到广泛的应用，但是它的应用前途方兴未艾。

催化剂的作用主要可归结为三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化、脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。

纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。

近年来科学工作者在纳米微粒催化剂的研究方面已取得一些结果，显示了纳米粒子催化剂的优越性。

高镀酸饺粉可以作为炸药的有效催化剂，以粒径小于0.3mm 的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率是传统镰催化剂的10倍，超细Pt粉、WC粉是高效的氢化催化剂。

超细的Fe，Ni与γ-Fe2O3混合轻烧结体可以代替贵金属而作为汽车尾气净化剂；超细Ag粉，可以作为乙烯氧化的催化剂；超细Fe粉，可在QH6气相热分解(1000-11000C)中起成核的作用而生成碳纤维。

Au超微粒子固载在Fe2O3，C03O4，NiO中，在70℃时就具有较高的催化氧化活性。

近年来发现一系列金属超微颗粒沉积在冷冻的饶腔基质上，特殊处理后将具有断裂C-C键或加成到C-H键之间的能力。

一维纳米材料的结构与性能研究纳米材料是一种尺寸在纳米尺度范围内的材料，其特殊的尺寸效应和表面效应使其具有许多独特的物理、化学和力学性能。

在纳米材料中，一维纳米材料是一种具有高度纳米化特征的材料形态，其在纳米科技领域具有广泛的应用潜力。

一维纳米材料的结构特征主要包括形态、尺寸和结晶度等方面。

形态上，一维纳米材料可以是纳米线、纳米柱、纳米管等形状。

尺寸上，一维纳米材料的直径通常在几纳米到几十纳米之间。

结晶度上，一维纳米材料由于尺寸受限，其晶体结构往往具有独特的纳米结构。

一维纳米材料的性能研究主要涉及其力学性能、电子性能和光学性能等方面。

在力学性能方面，一维纳米材料由于其尺寸效应和表面效应的影响，具有优异的力学性能，如高强度、高韧性和高模量等特点。

在电子性能方面，一维纳米材料的电子输运性质和能带结构可以通过调控其尺寸和形状来实现，从而具备优异的电子传输性能和电子结构调控能力。

在光学性能方面，一维纳米材料具有较大的比表面积，使其对光敏感度较高，并且可以通过调节其尺寸和形状来实现光学特性的调控，如表现出明显的量子限域效应和光学量子限域效应。

一维纳米材料的结构与性能研究主要依赖于一系列表征手段和研究方法。

在结构表征方面，常用的手段包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱等。

这些技术可以提供一维纳米材料的形态、尺寸、晶体结构和表面形貌等重要信息。

在性能研究方面，常用的手段包括力学测试、电学测试和光学测试等。

这些测试方法可以评估一维纳米材料在力学、电子和光学性能方面的表现，并帮助揭示其内部机制。

在一维纳米材料的研究中，材料的制备是关键的一步。

当前常用的制备方法包括物理气相沉积、溶液法、化学气相沉积和电化学方法等。

这些方法可以根据不同的材料和需求来选择合适的制备过程和参数，以获得具有良好结构和性能的一维纳米材料。

同时，材料的后续处理和修饰也是研究中不可忽视的环节，可以通过表面修饰、掺杂等方式对一维纳米材料进行功能化改进。

一维纳米材料
一维纳米材料是指其中至少有一个尺寸在纳米尺度（小于100纳米）范围内的材料，而其它两个尺寸则可以大于100纳米。

一维纳米材料通常包括纳米线、纳米棒和纳米管等形态。

由于其特殊的结构和性能，一维纳米材料在材料科学、纳米技术和纳米生物学等领域具有广泛的应用前景。

首先，一维纳米材料具有较大的比表面积。

由于其尺寸在纳米尺度范围内，一维纳米材料的比表面积通常较大，这使得其在催化剂、传感器、吸附剂等领域具有独特的优势。

比表面积的增大可以提高材料的反应活性，并且可以增加材料与其它物质的接触面积，从而提高材料的吸附性能。

其次，一维纳米材料具有优异的机械性能。

由于其尺寸在纳米尺度范围内，一维纳米材料通常具有较高的强度和韧性。

这使得一维纳米材料在材料强度和韧性要求较高的领域具有广泛的应用前景，如纳米传感器、纳米机械器件等。

另外，一维纳米材料具有优异的光学和电学性能。

由于其特殊的结构和尺寸效应，一维纳米材料通常表现出优异的光学和电学性能，如光学增强效应、光电传感效应等。

这使得一维纳米材料在光电器件、光学器件等领域具有重要的应用价值。

总的来说，一维纳米材料具有独特的结构和性能，具有广泛的应用前景。

随着纳米技术的不断发展，一维纳米材料必将在材料科学、纳米技术和纳米生物学等领域发挥重要作用，推动相关领域的发展和进步。