纳米材料文档格式.docx

纳米材料文档格式.docx

《纳米材料文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米材料文档格式.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

太阳能电池材料；

高效催化剂；

高效助燃剂；

敏感元件；

高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；

人体修复材料；

抗癌制剂等。

纳米纤维：

指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。

微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；

新型激光或发光二极管材料等。

纳米薄膜：

纳米膜分为颗粒膜与致密膜。

颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。

致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。

气体催化（如汽车尾气处理）材料；

过滤器材料；

光敏材料；

平面显示器材料；

超导材料等。

纳米块体：

是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。

主要用途为：

超高强度材料；

智能金属材料等。

1）量子尺寸效应

金属费米能级附近电子能级在高温或宏观尺寸下一般都是连续的，当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。

以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，从而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料显著不同。

最高被占据的能带称为价带；

未被完全占据的能态称为导带；

分隔导带与价带的区间无轨道，电子不允许具有此区间的能量。

2）小尺寸效应（体积效应）

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时、晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。

纳米粒子体积小，所包含的原子数很少，相应的质量较小，因此其性质会发生明显的变化。

3）表面效应

表面效应又称界面效应，它是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大后引起性质上的显著变化。

随着颗粒粒径减小，表面原子数迅速增加，表面能增加。

这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。

表（界）面效应的主要影响：

1、表面化学反应活性

2、催化活性

3、纳米材料的（不）稳定性

4、铁磁质的居里温度降低

5、熔点降低

6、烧结温度降低

7、晶化温度降低

8、纳米材料的超塑性和超延展性

9、介电材料的高介电常数（界面极化）

10、吸收光谱的红移现象

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

近年来人们发现一些宏观量例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应称为宏观量子隧道效应。

在纳米材料中存在若干纳米级导电区域（称为势阱），它们相互间形成很薄的势垒区。

由于量子尺寸效应，电子的波动性明显表现出来，所以电子可以从某势阱穿越势垒进入另一势阱，这就是量子隧道效应。

在纳米体系中各纳米晶粒之间的界面区形成势垒，而纳米晶粒即为势阱，这就形成了所谓的量子点结构。

4）量子隧道效应

5）库仑阻塞与量子隧穿

库仑阻塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一。

当体系的尺寸进入纳米级时（一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米），体系的电荷是“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的。

充入一个电子的所需的能量Ec=e2/2C,e为一个电子的电荷，C为小体系的电容，体系越小，C越小，能量Ec越大，这个能量称为库仑阻塞能，也即库仑阻塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能。

若两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称量子隧穿。

为使一个单电子从一个量子点隧穿到另一个量子点，在一个量子点上所加的电压（V/2）必须克服Ec，即V>

e/C。

利用库仑阻塞能和量子隧穿效应可以设计下一代纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关等。

介电限域效应

介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，这种介电增强通常为介电限域，主要来源于微粒表面和内部局域强的增加。

当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域强的增加称为介电限域。

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，在分析纳米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。

量子限域效应

半导体纳米微粒的粒径r＜αB（αB为激子玻尔半径）时，电子的平均自由程受小粒径的限制，局限在很小的范围，空穴很容易与它形成电子—空穴对（激子），引起电子和空穴波函数的重叠，容易产生激子吸收带。

纳米材料界面中的空穴浓度比常规材料高得多，因此空穴约束电子形成激子的概率比常规材料高得多，导致纳米材料激子的浓度较高。

颗粒尺寸越小，形成激子的概率越大，激子浓度就越高。

这种效应称为量子限域效应。

量子限域效应使能隙中靠近导带底形成一些激子能级，产生激子发光带。

激子发光带的强度随颗粒尺寸的减小而增强。

1）热学性能

纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的要低得多。

这是由于纳米微粒小，表面能高，比表面原子数多，且这些表面原子近邻配位不全，活性大，因而熔化时所需增加的内能要比大块材料的小得多，从而造成纳米微粒的熔点急剧下降，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。

2）力学性能

超塑性能

超塑性是指材料在断裂前产生很大的伸长量，这种现象通常发生在经历中温（≈0.5Tm）、中等到较低的应变速率（10-10到10-2S-1）条件下的细晶材料中，高的晶界和扩散率在超塑性中起着主要作用。

一般认为陶瓷具有超塑性应该具备两个条件：

一是较小的粒径，二是快速的扩散途径（增强的晶格、晶界扩散能力）。

纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径，所以具有室温超塑性能。

很多产品博览会上展览的所谓“摔不破，打不烂”的碗具即是用纳米材料制成的。

固体材料的光学性质与其内部的微观结构，特别是电子态、缺陷态和能级结构有密切的关系。

纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现为：

尺寸小、能级离散性显著、表（界）面原子比例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。

这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。

3）光学性能

4）电学性质

1、纳米金属的电阻特性

1）与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；

2）比电阻随粒径的减小而逐渐增加；

3）比电阻随温度的升高而上升；

金属纳米颗粒的电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效应。

当颗粒尺寸与电子运动的平均自由程可比拟或更小时，小尺寸效应不容忽视。

当颗粒尺寸小到一定程度时，能级的离散性非常显著，量子尺寸效应不容忽视，最后导致低温下导体向绝缘体的转变。

德国萨尔大学的H.Gleiter对Cu、Pd、Fe纳米相材料开展了先驱性工作。

4）随着粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。

电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。

5）当颗粒小于某一临界尺寸（电子平均自由程）时，电阻温度系数可能会由正变负，即随着温度的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似）。

主要原因：

纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大，当尺寸非常小时，这种贡献对总电阻占支配地位，导致总电阻趋向于饱和值，随温度的变化趋缓。

当粒径低于临界尺寸时，量子尺寸效应造成的能级离散性不可忽视，最后温升造成的热激发电子对电导的贡献增大，即温度系数变负。

5）磁学性能

物质的磁性是指它在磁场中表面出来的性质。

若将所有的物质放在磁场中，按照它们受磁场的影响可分为两大类：

一类是反磁性物质，另一类是顺磁性物质。

磁力线通过反磁性物质时，比在真空中受到的阻力大，外磁场力图将这类物质排斥出去；

当磁力线通过顺磁性物质时，比在真空中来得容易，外磁场倾向于把这类物质吸向自己。

反磁性物质中电子都是偶合的，由电子自旋产生的磁效应彼此抵消，在磁场中表现为反磁性；

在顺磁性物质中，有未成对电子存在，由电子自旋产生的磁效应不能抵消，在磁场中表现为顺磁性。

绝大多数物质都是反磁性的。

最早重要应用之一----磁性液体

宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的

最早重要应用之一----磁性液体

第2章纳米材料的制备方法

2.1化学方法（沉定法、化学气相沉积法、溶胶—凝胶法、溶剂蒸发法、水热法、有机液相合成法、固态置换反应法、反相胶束微反应器法等）

2.2物理方法（真空冷凝法、低压气体蒸发法、活性氢—熔融金属法、溅射法、蒸发法、等离子法、爆炸法、物理粉碎法、机械球磨法等）

1）共沉淀法

在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂使金属离子完全沉淀的方法称为共沉淀法。

共沉淀法可制备BaTiO3、PbTiO3等PZT系电子陶瓷及ZrO2等粉体。

以CrO2为晶种的草酸沉淀法制备La、Ca、Co、Cr掺杂氧化物及掺杂BaTiO3等。

以Ni（NO3）2·

6H2O溶液为原料、乙二胺为络合剂、NaOH为沉淀剂制得Ni（OH）2超微粉，经热处理后得到NiO超微粉。

与传统的固相反应法相比，共沉淀法可避免引入对材料性能不利的有害杂质，生成的粉末具有较高的化学均匀性，粒度较细，颗粒尺寸分布较窄，且具有一定形貌

2）均匀沉淀法

在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质，使溶液中的沉淀均匀出现称为均匀沉淀法。

该法克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。

本法多数在金属盐溶液中采用尿素热分解生成沉淀剂NH4OH促使沉淀均匀生成。

制备的粉体有Al、Zr、Fe、Sn的氢氧化物等。

均匀沉淀反应具有非平衡或接近平衡的特点，得到的纳米粒子密实、粒径小、分布宽，团聚较少。

3）沉淀转化法

本法依据化合物之间溶解度的不同，通过改变沉淀转化剂的浓度、转化温度以及表面活性剂来控制颗粒生长和防止颗粒团聚。

例如：

以Cu（NO3）2·

3H2O、Ni（NO3）2·

6H2O为原料分别以Na2CO3、NaOH、NaC2O4（草酸钠）为沉淀剂，加入一定量表面活性剂，加热搅拌可制得CuO、Ni（OH）2、NiO超细粉末。

该法工艺流程短操作简便，但制备的化合物仅局限于少数金属氧化物和氢氧化物。

4）多元醇沉淀法

许多无机化合物可溶于多元醇，多元醇具有较高的沸点（可大于100oC），因此可用高温强制水解反应制备纳米颗粒。

例如Zn（HAC）2·

2H2O溶于一缩二乙醇，于100~220oC下强制水解可制得单分散球形ZnO纳米粒子。

又如使酸化的FeCl3---乙二醇---水体系强制水解可制得均匀的Fe（III）氧化物胶粒。

化学气相沉积是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上生成固态沉积物的技术。

（1）化学气相沉积法是利用气体原料在气相中进行化学反应形成基本粒子。

特点：

纯度高，工艺过程可控，但粒度较大而且颗粒易团聚和烧结。

目前开发出的等离子体CVD技术是利用等离子体产生的超高温激发气体发生反应，同时利用等离子体高温区与周围环境形成的巨大温度梯度，通过急冷获得纳米微