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第三章几类常见的纳米微粒及其性质报告

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纳米微粒的基础理论课件

纳米微粒的基础理论课件
的方法。
沉淀法是通过化学反应使溶液中的离子形成沉淀，再 经过洗涤、干燥得到纳米微粒的方法。
化学法是通过化学反应制备纳米微粒的方法， 主要包括化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、沉淀 法等。
溶胶-凝胶法是利用溶胶中的胶体粒子相互聚结 形成凝胶，再通过干燥和热处理得到纳米微粒的 方法。
生物法
1
生物法是利用生物体系中的酶、微生物等生物分 子进行催化或合成纳米微粒的方法，主要包括生 物合成法和生物提取法。
根据应用需求选择合适的制备方法， 如根据所需纳米微粒的尺寸、形貌、 化学成分等特性选择合适的制备方法 。
03
纳米微粒的性质与应用
纳米微粒的物理性质
小尺寸效应
由于纳米微粒的尺寸在纳米级别，其电子能级发 生分裂，导致新的光学、电学和磁学等性质。
表面效应
纳米微粒的巨大表面积与体积比使其表面原子活 性增加，影响其化学反应活性。
量子效应
在纳米尺度上，电子的运动受到限制，表现出显 著的量子效应，影响材料的导电性和磁性。
纳米微粒的化学性质
01
02
03
高反应活性
纳米微粒具有高表面能， 使其在化学反应中表现出 高反应活性。
催化性能
纳米微粒可作为高效的催 化剂，应用于许多化学反 应中。
稳定性与相容性
通过表面修饰，纳米微粒 可以改善其在不同介质中 的稳定性和相容性。
研究和评估。
跨学科合作
纳米微粒的研究和应用涉及多 个学科领域，需要加强跨学科 的合作和交流，促进创新发展 。
技术瓶颈
目前纳米微粒的制备、表征和 应用技术还存在一些瓶颈，需 要加强技术研发和创新。
法规和伦理问题
随着纳米微粒的广泛应用，相 关的法规和伦理问题也逐渐凸 显，需要建立相应的规范和标

纳米材料的性能与制备方法

纳米材料的性能与制备方法
已经知道，纳米粒子是尺寸在1—100 nm之间的粒子，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。通常的纳米材料是由纳米粒子组成的。 从一般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，是一种典型的介观系统，具有下述效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。
团簇特性
团簇的尺寸由小而大的结构及构型的互相转化。各种可能构型的稳定性。碳簇的各种结构和拓扑学。碳簇的电子能级、能带结构。
团簇理论
典型的团簇：碳簇C60 (足球稀 ) -----------富勒烯系列全碳分子的代表
富勒烯（fullerene）是由碳原子形成的一系列笼形分子的总称，它是碳单质的第三种稳定的存在形式，C60是富勒烯系列全碳分子的代表。
什么是纳米材料？
问题三：纳米材料的两个必备条件？
问题四：请说出纳米材料的分类依据并举例
按结构的维数分： 零维结构材料（OD) ：纳米颗粒、原子团簇； 一维结构材料（1D) ：纳米丝、纳米棒、纳米管； 二维结构材料（2D) ：超薄膜、多层膜、超晶格； 三维结构材料（3D) ：纳米块体材料。
（2）按化学组成及其特性：（3） 按材料物性： 纳米金属 纳米半导体 纳米陶瓷 纳米磁性材料 纳米玻璃 纳米光学材料 纳米高分子 纳米超导材料 纳米复合材料。 纳米热电材料等 （4）按其应用： 纳米电子材料 纳米光电子材料 纳米生物医用材料 纳米敏感材料 纳米储能材料等。
第三章 纳米材料的性能 及制备方法
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提问：
谈谈你对材料及其重要性的认识。 什么是纳米材料？ 纳米材料的两个必备条件？ 请说出纳米材料的分类依据并举例。
谈谈你对材料及其重要性的认识。 材料的发展历史：

纳米材料的结构和性质

纳米材料的结构和性质

2．2 磁学性能
纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、 表面效应等使得它具有常规粗晶粒材料 所不具备的磁特性．纳米微粒的主要磁 特性可以归纳如下： (1)超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入 超顺磁状态
超顺磁状态的起源可归为以下原因：在小 尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能 可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个 易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化， 结果导致超顺磁性的出现．不同种类的纳 米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相 同的．
对纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有几种说法， 归纳起来有两个方面； 一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙变 宽，这就导致光吸收带移向短波方向． Ball 等 对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电 子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级 之间的宽度 ( 能隙 ) 随颗粒直径减小而增大，这 是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和 绝缘体都适用．
此外，纳米磁 性微粒还具备 许多其他的磁 特性．纳米金 属Fe(8nm)饱和 磁化强度比常 规α-Fe低40％， 纳米Fe的比饱 和磁化强度随 粒径的减小而 下降(见图)；
Байду номын сангаас
2.3光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的 特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意 波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显 著．与此同时，大的比表面使处于表面态的原 子，电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行 为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效 应对纳米微粒的光学特性有很大的影响．甚至 使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具 备的新的光学特性．主要表现为如下几方面：
例如，常规Al2O3烧结温度在2073-2173K， 在一定条件下，纳米的 Al2O3 可在 1423K 至1773K烧结，致密度可达99.7％．常规 Si3N4 烧结温度高于 2273K，纳米氮化硅 烧结温度降低673K至773K，纳米TiO2在 773K 加热呈现出明显的致密化，而晶粒 仅有微小的增加，致使纳米微粒 TiO2 在 比大晶粒样品低 873K 的温度下烧结就能 达到类似的硬度．

纳米粒子的特性

纳米粒子的特性

美国F117隐形轰炸机
美国B2隐形轰炸机
4．力学性能
• 纳米材料由大量的小原子团簇或晶粒组成,晶粒之间的 界面在决定和控制材料性能方面起至关重要的作用。
• 如纯金属原子容易在金属晶体结构中通过位错这种缺 陷运动,故易于成形;而当金属由纳米晶粒组成时,晶界阻 碍位错运动,且小的晶粒尺寸使位错形成困难,需要更大 的力使材料变形,因而纳米金属的强度和硬度大幅度提 高。
• 20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微 粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯 丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很 强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传 统的卤素灯相同时，可节省约15％的电.
优异的光吸收材料
•
纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收
• 大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒 熔点降低为288K；
• 纳米Ag微粒在低于373K时开始熔化，常规 Ag的熔点为1173K左右。
• 这一特点使低温下将纳米金属烧结成合 金产品成为现实，且为不溶解的金属冶 炼成合金创造了条件。
纳米金属铜的超延展性
•纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低了400℃
例如，纳米银细粒径 和构成粒子的晶粒直 径分别减小至等于或 小于18nm和11nm时， 室温以下的电阻随温 度上升呈线性下降， 即电阻温度系数a由正 变负。
介电特性
• 介电特性是材料的基本物性, 电介质材料中介电 常数和介电耗损是最重要的物理特性.
• 常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米 材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差 别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自 己的特点。主要表现在介电常数和介电损耗与颗 粒尺寸有很强的依赖关系。电场频率对介电行为 有极强的影响。

纳米粒子的特性课堂PPT

纳米粒子的特性课堂PPT
电子数为奇数的磁化率服从： 居里－外斯定律：＝ C
T Tc
量子尺寸效应使磁化率遵从d-3规律(d平均颗粒直径)
电子数为偶数的磁化率服从： kBT
磁化率遵从d2规律
4
• 在纳米材料中，当粒径小于某一临界值时，
每个晶粒都呈现单磁畴结构，其磁化过 程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也 是永久性磁体。
• 20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微 粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有 灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且 有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮 度与传统的卤素灯相同时，可节省约15％的电.
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优异的光吸收材料
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纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收
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例如，纳米银细粒径 和构成粒子的晶粒直 径分别减小至等于或 小于18nm和11nm时， 室温以下的电阻随温 度上升呈线性下降， 即电阻温度系数a由正 变负。
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介电特性
• 介电特性是材料的基本物性, 电介质材料中介电 常数和介电耗损是最重要的物理特性.
• 常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米 材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差 别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自 己的特点。主要表现在介电常数和介电损耗与颗 粒尺寸有很强的依赖关系。电场频率对介电行为 有极强的影响。
• 在一些情况下，可以观察到光吸收带相对粗 晶材料呈现“红移”现象，即吸收带移向长 波长。
• 此外，纳米固体有时会呈现一些比常规粗晶 强的，甚至新的光吸收带。
• 纳米材料光学性能研究的另一个方面为非线 性光学效应。
14
发光现象
• 纳米二氧化钛的光致发光现象
15
• 纳米激光通讯技术的应用

纳米材料导论纳米材料的基本概念与性质课件

纳米材料导论纳米材料的基本概念与性质课件
基本内容 1.1 纳米材料的基本概念 1.2 纳米微粒的基本性质 1.3纳米微粒的物理特性
纳米材料导论纳米材料的基本概念 与性质课件
1.1 纳米材料的基本概念
从尺寸概念分析：纳米材料就是关于原子团簇、 纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体 材料的总称。
从特性内涵分析：纳米材料能够体现尺寸效应 (小尺寸效应)和量子尺寸效应。
南京大学固体微结构国家实验室（筹）团簇 物理和纳米科学研究组
国家自然科学基金重大项目： “原子团簇的物理和化学”、 “团簇组装纳米结构的量子性质”
杨 团先 簇生 物和 理冯 研先 究生 室访
问 纳米材料导论纳米材料的基本概念
与性质课件
原子团簇可分为一元原子团簇、二元原 子团簇、多元原子团簇和原子簇化合 一元物原．子团簇包括金属团簇(加Nan，Nin等)和非 金属团簇．非金属团簇可分为碳簇(如C60,C70 等)和非碳族(如B，P，S，Si簇等)．
纳米材料导论纳米材料的基本概念 与性质课件
1.1.5 纳米复合材料
❖ 0-0复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子 复合而成的纳米固体;
❖ 0-3复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中;
❖ 0-2复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.
均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布； 非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中。
与性质课件
纳米丝
以碳纳米管为模板合成氮化硅纳米丝
用微米级SiO2、Si和混合 粉末为原料，用碳纳米管 覆盖其上作为模板，以氮 气为反应气合成了一维氮 化硅纳米线体。测量了不 同温度下合成纳米氮化硅 的型貌和结构，
氮化硅纳米丝
纳米材料导论纳米材料的基本概念 与性质课件
1.2 纳米微粒的基本性质

纳米粒子的特性(完整版).ppt


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12
其它磁性材料
• 软磁材料的发展经历了晶态、非晶态、纳米微 晶态的历程。纳米做晶金属软磁材料具有十分 优异的性能，高磁导率，低损耗、高饱和磁化 强度，己应用于开关电源、变压器。传感器等， 可实现器件小型化、轻型化、高频化以及多功 能化，近年来发展十分迅速。
• 磁电子纳米结构器件是20世纪末最具有影响力 的重大成果。除巨磁电阻效应读出磁头、 MRAM、磁传感器外，全金属晶体管等新型器 件的研究正方兴未艾。磁电子学已成为一门颇 受青睐的新学科。
(2).矫顽力 纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力 每个粒子是一个单磁畴.
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4
(3).居里温度（铁磁体与顺磁体的转变温度） 居里温度Tc与交换积分J成正比，并与原子构形和间距有
关纳米粒子的Tc比固体相应的低。 纳米粒子中原子间距随着颗粒尺寸减少而减小。原子间距
小将会导致J的减小，因而Tc下降。 5nm Ni:点阵参数缩小2.4%
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3
2．磁学姓质
(1).超顺磁性
居里－外斯定律：＝ C
T Tc
超顺磁性：矫顽力H c
0，对于 H
kBT
1时：
磁化强度：M P
2 H ，为粒子磁距
3k BT
起源：在小尺寸下，当各向异性能减少到与热易磁化方向，易磁化
方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。
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• 以Cr中电子为中介的铁层间的耦合，随着Cr层厚度 增加而振荡衰减。其平均作用范围为1~3nm，这是 对Cr层厚度的一个限制。在金属中，特别是在磁性 金属中，电子平均自由程(10~20nm)和自旋扩散长 度(30~60nm)很短。这是对多层膜各个亚层厚度的 又一限制。

纳米微粒的基本性质

1． 2
纳米微粒的基本性质
一、 电子能级的不连续性 二、 量子尺寸效应 三、 小尺寸效应（体积效应） 四、 表面效应 五、 宏观量子隧道效应 六、 库仑堵塞与量子遂穿 七、 介电限域效应
一、 电子能级的不连续性
Kubo理论
1 ．简介： Kubo 理论是关于金属粒子电子性质 的理论。 提出：该理论最初 (1962 年 ) 由 Kubo 及其合 作者提出，后经他们发展。 发展：1986年，Halperin对这一理论又进行 了比较全面的归纳，并对金属超微颗粒的量子 尺寸效应进行了深入的分析。
波数K只能取分立值→动量空间中，电子的状态 只能取一系列分立的点→ N个电子将按能量 的大小依次从K小的状态向K大的状态逐一填 充（如此分布的状态，其整体能量最低，称为 体系的基态。） → N个电子填完后最大动量 是PF，其对应的最大波数为KF； 费米动量： N个电子填完后最大动量PF； 费米能EF：根据PF可以求出电子的最大能量 对二维体系和三维体系作类似的处理也可以得 到类似的结果。
（2）纳米材料 对于只有有限个导电电子的超微粒子来说能 级是离散的（低温下） 纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这 就导致δ有一定的值，即能级间距发生分裂。 （3）产生量子尺寸效应的条件 当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电 能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须 要考虑量子尺寸效应。
（4）产生影响： 会导致纳米微粒磁、光、热、电以及超导电 性与宏观特性有着显著的不同。 量子尺寸效应产生的最直接影响：纳米材料吸 收光谱的边界蓝移 原因：在半导体纳米晶粒中，光照产生的电 子与空穴不再自由，而是存在库仑作用，此电 子—空穴对类似于宏观材料中的激子。由于空 间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移，边带以及 导带中更高激发态均相应蓝移。

第三章 纳米材料的特性

（一）纳米材料的结构与形貌ZnO nanotube （一）纳米材料的结构与形貌1D ZnO nanostructures 热学性能电学性能磁学性能光学性能开热学性能开始烧结温度下降开始烧结温度下降TiO2微粒的烧结与尺寸关系纳米颗粒的晶化温度降低电阻特性介电特性压电效应电阻特性纳米金属与合金的电阻Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行与常规材料相比，Pd纳米相固体z 随颗粒尺寸减小，电阻温度系Pd纳米固相的电阻温度系数与尺寸的关系例如，纳米银细粒径20nm18nm11nm纳米金属与合金的电阻电阻特性电阻特性介电特性是材料的基本物性•介电常数：•最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自己的特点。

介电特性减小明显增大。

在低频范围内远高于体材料。

介电特性目前，对于不同粒径的纳米非晶氮化硅、纳米钛矿、金红石和纳米（个损耗峰．损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。

7nm27nm 84nm 258nm介电特性压电效应压电效应纳米压电电子学(Nanopiezotronics)全新研究领域和学科,有机地把压电效应和半导体效应在纳米尺度结合起来高磁化率超顺磁性：当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将外磁场去掉，由于介质中的掺杂内应力阻碍磁畴恢复到原来的纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力右图为用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒居里温度降低居里温度降低居里温度降低随粒径下降而减小，根据铁磁学，原子间距减小会随着粒径减小而对9nm Ni微粒：高磁化率巨磁电阻效应z 巨磁电阻效应巨磁电阻效应纳米材料磁学特性小结纳米材料光学特性宽频带强吸收粒子的反射率为1％，Au 纳米粒子的反射率小于10％。

纳米氮化硅对红外有一个宽频强吸收谱纳米氮化硅红外光谱Si3N4热压片的红外吸收谱Si-N 键伸缩震动宽频带强吸收吸收光谱的兰移现象吸收光谱的兰移现象激子吸收带吸收光谱的红移现象吸收光谱的红移现象：激子吸收带纳米颗粒发光现象上图曲线1和2分别为掺了粒径大于10 纳米和5纳米的CdSexS1-x的玻璃的光吸收谱，尺寸变小后出现明显的激子峰。

3.纳米微粒的基本理论与特性2011


限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极 限 确立了现在微电子器件进一步微型化的极 限 例如，在制造半导体集成电路时，当电路 的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道 效应而溢出器件，使器件无法正常工作， 经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前 研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子 效应制成的新一代器件。（摩尔定律：集 成电路上晶体管的数量每隔18个月增加一 倍。）
纳米晶体结构：当超微粒子的尺寸与光波波 长、德布罗依波波长以及超导态的相干波长 或透射深度等物理特征尺寸相当时，晶体周 期性的条件被迫坏，点阵结构的周期性消失， 不再是原来意义的晶体。以金属为例，不但 能带变为离散能级，引起导电性能下降等物 理性质的变化，而且表面原子数显著增加， 表面原子是化学键不饱和原子，这类原子多 了会使粒子的化学活性(如催化性能)和表面能 显著增加。表面原子密度也显著减小，缺陷 显著增加。缺陷是指实际晶体结构中和理想 点阵结构发生偏差的区域。缺陷的存在使纳 米材料结构中的平移周期遭到很大破坏，严 重偏离了理想晶体的结构。
一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微 粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的 介电限域效应对光吸收、光化学、光学非 线性等会有重要的影响。因此，在分析材 料光学现象的时候，既要考虑量子尺寸效 应又要考虑介电限域效应。
界面相关效应
由于纳米结构材料中有大量的界面，与单晶材料相比， 纳米结构材料具有反常高的扩散率，它对蠕变、超塑 性等力学性能有显著影响；可以在较低的温度对材料 进行有效的掺杂，并可使不混溶金属形成新的合金相； 出现超强度、超硬度、超塑性等
如果量子点的尺寸为1nm左右，我们可以在 室温下观察到上述效应．当量子点尺寸在 十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮 温度下．原因很容易理解，体系的尺寸越 小，电容C越小，e2/C越大，这就允许我们 在较高温度下进行观察．由于库仑堵塞效 应的存在，电流随电压的上升不再是直线 介电限域效应
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