完整版纳米材料概论重点Word文档下载推荐.docx

1、金属纳米材料，氧化物，硫化物，碳（硅）化合物，复合纳米材料。按功能：半导体型纳米材料，光敏型，增强型（对他相材料有提高力学性能等作用的纳米材料。一般不具有量子效应和量子隧道效应，但具有表面效应促使其有高表面活性，很强的表面能和表面结合能。）按形态：纳米点、线、带按来源：天然，合成科技从研究内容上可分为哪几类？纳米科技从研究内容上可以分为三个方面：1纳米材料：几何尺寸达到纳米级, 并且具有特殊性能的材料。是纳米科技发展的物质基础。2 纳米器件：从纳米尺度上，设计和制造功能器件。3纳米尺度的检测和表征：在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能。制造纳米材料的路线:“自上而下”：通过微加工或固态技术，

2、不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。 如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。特点：尺寸从大到小。“自下而上”：以原子分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。如化学合成、自组装、定位组装等。纳米粒子的基本特性？（1）小尺寸效应（尺寸降，熔点降）：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会造成颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸的变小，所导致的颗粒宏观物理性质的改变称为小尺寸效应。（2）表面效应：纳米粒子表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而显著增加，粒子的表面能和表面张力也随着增加，物理化学性质发生变化。（粒度减小，

3、比表面积增大；粒度减小，表面原子所占比例增大；表面原子比内部原子具有更高的比表面能；表面原子比内部原子具有更高的活性）（3）量子效应：当粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子波尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象（4）宏观量子隧道效应：宏观物理量具有的隧道效应。电子既具有粒子性又具有波动性。微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。小尺寸效应：金属纳米固体材料的电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效应。2）小尺寸效应的主要影响：a.金属纳米相材料

4、的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自由程）动量b.宽频带强吸收性质（光波波长）c.激子增强吸收现象（激子半径）d.磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性）（各向异性能）e.超导相向正常相的转变（超导相干长度）f.磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸）纳米材料的特殊的光学性质及其应用：光学性质：光谱迁移性、光吸收性、发光性、光催化性、和非线性光学性质。应用：红外发射材料、光吸收材料（利用纳米材料对紫外吸收特性，可提高日光灯寿命、防晒油和化妆品、聚合物的防老化；以及红外吸收材料、隐身材料等）、自清洁材料、光催化材料等。纳米材料的特殊性质：光学性质（光吸收性）、磁性质、催化性质、增强增韧性、储氢性质、润

5、滑性质纳米材料的特殊的磁学性质：超顺磁性和较高的矫顽力、巨磁电阻效应。5、纳米材料的制备方法（1）液相法：种类：沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、微乳液法沉淀法：均匀沉淀法、共沉淀法溶胶凝胶法：溶胶凝胶法的过程和原理以及溶胶凝胶法的干燥技术。微乳液法：原理及其合成纳米材料的机理（2）气相法物理气相沉淀法和化学气相沉积法物理气相沉淀法：电极溅射法化学气相沉积法：等离子体加强气相化学反应法和激光诱导化学气相沉积法。（3）一维纳米材料的可控合成技术：气相 液相固相法、层状卷曲机制备法和模板限制合成法。1、制备纳米粒子的物理方法（1）机械粉碎法：球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉碎气流磨。（

6、2）蒸发凝聚法：金属烟粒子结晶法、流动油面上的真空蒸发沉积法、等离子体加热法、激光加热蒸发法、电子束加热蒸发法、电弧放电加热蒸发法、高频感应加热蒸发法、太阳炉加热蒸发法。（3）离子溅射法（4）冷冻干燥法（5）其他方法：火花放电法、爆炸烧结法、活化氢熔融金属反应法。2、制备纳米粒子的化学方法（1）气相化学反应法（气相分解法、气相合成法、气-固反应法）：利用挥发性的金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。该方法也叫做化学气相沉积法。（2）沉淀法：在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂（如OH-，C2O42-

7、，CO32-等）制备纳米粒子的前驱体沉淀物（氢氧化物、水合氧化物或盐类），再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。（共沉淀法、均相沉淀法、水解沉淀法）（3）水热合成法：水热法是在特制的密闭反应容器里，采用水溶液作为反应介质，对反应容器加热，创造一个高温（ 1001000）、高压（ 1100 MPa ）的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶。（4）喷雾热解法：将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。（5）溶胶凝胶法：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。8、

8、碳纳米管（1）碳纳米管的制备方法：电弧法、激光蒸发法、CVD法（基种法、喷淋法、浮动催化法）（2）碳纳米管的结构与形态：结构：单壁、多壁；根据碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将单壁碳纳米管分为：扶手椅型、锯齿型和螺旋型。形态：开口型、封口型、竹节型、变径型、螺旋型、海胆型、洋葱型（3）碳纳米管的性能力学性能：碳纳米管是人类发现的强度最高的纤维。电学性能：随螺旋矢量（n，m）不同单壁碳纳米管的能隙宽度可以从零（金属）连续变化至1eV（半导体）。（4）应用：增强材料，高强材料，高能电池电极材料，储能材料1、纳米复合材料的分类：按用途可分为:结构纳米复合材料、功能纳米复合材料、智能纳米复合材料；按基

9、体可分为聚合物基纳米复合材料和非聚合物基纳米复合材料。2、纳米复合材料的稳定化设计：纳米稳定化设计要特别注意聚合物的化学结构，聚合物与纳米粒子之间的作用形式有形成共价键、形成离子键、形成配位键和纳米作用能的亲和作用。3、纳米复合材料的制备：纳米微粒原位合成法、溶液共混法、聚合物基体原位聚合法、两相同步原位合成法相应例子。4、功能型纳米复合塑料应用：导电塑料，抗菌塑料5纳米复合纤维：抗紫外，吸收红外，保暖，杀菌。医用纳米陶瓷：传统医用陶瓷的纳米化陶瓷，传统医用陶瓷的纳米材料改性陶瓷，新型医用纳米陶瓷1926年，物理学家布施利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，具有轴对称性的磁场对

10、电子束来说起着透镜的作用，可以实现电子波聚焦，为电镜的发明奠定了基础。TEM的工作原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。TEM（透射电子显微镜）法测纳米样品的优缺点，检测什么信号：优点：分辨率高（1-3），放大

11、倍数可达几百万倍，亮度高，可靠性和直观性强，是颗粒度测定的绝对方法。 缺点：缺乏统计性，立体感差，制样难，不能观察活体，可观察范围小，从几个微米到几个埃。1 取样时样品少，可能不具代表性。2 铜网捞取的样品少。3 观察范围小，铜网几平方毫米就是。4 粒子团聚严重时，观察不到粒子真实尺寸。检测什么信号：TEM检测信号只有透射电子SEM法的优缺点，检测什么信号:1）仪器分辨本领较高，通过二次电子像能够观察试样表面30 左右的细节。 2） 放大倍数变化范围大（一般为10800000倍），且能近续可调。3）观察试样的景深大，图像富有立体感。可用于观察粗糙表面，如金属断口、催化剂等。4）样品制备简单。缺

12、点：不导电的样品需喷金（Pt、Au）处理，价格高，分辨率比TEM低。二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器进行检测。扫描隧道显微镜Scanning Tunneling Microscope STM所依据的原理STM工作原理 1 隧道电流的产生。在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距，当针尖原子与样品表面原子距离10时，由于隧道效应，探针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过。电流强度对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化1 ，电流就变化一个数量级。2扫描方式：移动探针或样品，使探针在样品上扫描。根据样品表面光滑程度不同，采取两种方式

13、扫描：恒流扫描，恒高扫描。A恒流扫描：当针尖在表面扫描时，反馈电流调节针尖与表面的间距，使针尖与样品之间的隧道电流守恒。它是目前应用最广最重要的一种方式，一般用于表面起伏较大的样品。其缺点：扫描速度慢。移动探针时，若间距变大，势垒增加，电流变小，这时，反馈系统控制间距电压，压电三角架变形使间距变小，相反.，保持隧道电流始终等于定值。记录压电三角架在Z方向的变形得到样品表面形貌。B恒高扫描：针尖在表面扫描，直接得到隧道电流随样品表面起伏的变化，再将其转化为表面形状的图象。它仅适用于表面非常平滑的材料。成像速度快。原子力显微镜（简称AFM）利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用

14、力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德宾宁于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。扫描电子显微镜的制造依据是电子与物质的相互作用。扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显

15、示成像，获得测试试样表面形貌的观察。电子束和固体样品表面作用时的物理现象当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。俄歇电子能谱仪（ AES）的基本原理是:用一定能量的电子束轰击样品,使样品内电子电离,产生无辐射俄歇电跃迁，发射俄歇电子。由于俄歇电子的特征能量只与样品中的原子种类有关，与激发能量无关，因此根据电子能谱中俄歇峰位置所对应的俄歇电子能量，即“指纹”，就可以鉴定原子种类，并在一定实验条件下根据

16、俄歇信号强度，确定原子含量，还可根据俄歇峰能量位移和峰形变化，鉴别样品表面原子的化学态。纳米材料的制备根据制备环境可分为气相法和液相法。化学气相沉积CVD：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。化学气相沉积定义 CVD：Chemical Vapour Deposition在远高于临界反应温度条件下，通过化学反应，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体。（气态反应物受热，经化学反应沉积出产物的过程）。化学气相沉积的特点保形性: 沉积反应如在气固界面上发生，则沉积物将

17、按照原有固态基底形状包覆一层薄膜。如果采用某种基底材料，在沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离，这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。可以得到单一的无机合成物质。可以沉积生成晶体或细粉状物质，纳米尺度微粒。化学气相沉积根据反应类型不同分1热解化学气相沉积一般在简单的单温区炉中，于真空或惰性气氛下加热衬底至所需温度后，导入反应气体使之发生热分解，最后在衬底上沉积出纳米材料。2.化学合成气相沉积利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成出相应的化学产物，冷凝而制备各类物质的微粒。3.化学输运反应把所需要的物质当做源物质，借助于适当的气体介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态化合物

18、经化学迁移或物理载带（用载气）输运到与源区温度不同的沉淀区，再发生逆向反应，使得源物质重新沉淀出来，这样的过程称为化学输运反应。上述气体介质叫做输运剂。液相法包括沉淀法，水热法，喷雾法，乳液法，自组装，溶胶-凝胶法，其中应用最广的是沉淀法、溶胶-凝胶法。水热法是在高压釜里的高温（1001000） 、高压（1100 Mpa）反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，在高压环境下制备纳米微粒的方法。溶剂热法与水热法的区别:溶剂热法采用有机溶剂代替水作介质，类似水热法合成纳米粉体。非水溶剂代替水，不仅扩大了水热技术的应用范围，而且能够实现通常条件下无法实现的反应，包括制备具有亚稳

19、态结构的材料。溶胶凝胶法：溶胶凝胶法是指金属有机和无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成氧化物或其它化合物纳米材料的方法。主要用来制备薄膜和粉体材料。溶胶-凝胶法的化学过程是首先将原料分散在溶液中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定结构的凝胶，最后经过干燥和热处理得纳米粒子，即经由分子态聚合体溶胶凝胶晶态（或非晶态）的过程。由于这种方法在材料制备初期就在相当小的尺寸范围内进行控制，其均匀性可达到亚微米级、纳米级甚至分子级的水平，因而近些年来越来越受到人们的青睐。纳米微粒熔点急剧下降：由于纳米颗粒尺寸小，表面原子数比例提高，表面原子的平

20、均配位数降低、近邻配位不全，具有更高的能量，活性大（为原子运动提供动力），熔化时所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。纳米粒子电阻提高的原因：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。界面散射为主因。小尺寸效应，当颗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，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。微粒吸收带“蓝移”的解释：纳

21、米微粒吸收带“蓝移”的解释有两个方面：1.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。 2.表面效应由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化物微粒研究表明：表面层第一近邻和第二近邻的距离变短。键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数。纳米科学技术的发展历史1、1959年12月，美国物理学家费曼在加州理工学院召开的美物

22、理学会会议上作了一次富有想象力的演说“最底层大有发展空间”，费曼的幻想点燃纳米科技之火。2、1981年比尼格与罗勒尔发明了看得见原子的扫描隧道显微镜（STM）。3、1989年在美国加州的IBM实验内，依格勒博士采用低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子，实现了人类另一个幻想直接操纵单个原子。4、1991年，日本的饭岛澄男教授在电弧法制备C60时，发现氩气直流电弧放电后的阴极碳棒上发现了管状结构的碳原子簇，直径约几纳米，长约几微米碳纳米管。5、1990年在美国东海岸的巴尔的摩召开第二届国际STM会议的期间，召开了第一届国际纳米科学技术会议，该会议标志纳米科学技术的诞生。1、纳米材料的分类

23、：按功能分为半导体纳米材料、光敏型纳米材料、增强型纳米材料和磁性纳米材料；按属性分为金属纳米材料、氧化物纳米材料、硫化物纳米材料、碳（硅）化合物纳米材料、氮（磷）等化合物纳米材料、含氧酸盐纳米材料、复合纳米材料。按形态分为纳米点、纳米线、纳米纤维和纳米块状材料。2、纳米材料的四个基本效应：小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。1）量子尺寸效应与纳米材料性质a.导电的金属在制成超微粒子时就可以变成半导体或绝缘体；绝缘体氧化物相反。b.磁化率的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关 。c.比热亦会发生反常变化，与颗粒中电子是奇数还是偶数有关 。d.光谱线会产生向短波长方向的移动 。e.

24、催化活性与原子数目有奇数的联系，多一个原子活性高,少一个原子活性很低。3）表面效应及其影响：表面化学反应活性（可参与反应）、催化活性、纳米材料的（不）稳定性、铁磁质的居里温度降低、熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低、纳米材料的超塑性和超延展性、介电材料的高介电常数（界面极化）、吸收光谱的红移现象。3、纳米材料的特殊的光学性质及其应用：4、纳米材料的特殊的磁学性质：5、纳米材料的制备方法（1）液相法：沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、微乳液法沉淀法：均匀沉淀法、共沉淀法溶胶凝胶法：原理及其合成纳米材料的机理（2）气相法种类：物理气相沉淀法和化学气相沉积法物理气相沉淀法：电极溅射法化学气相沉积法：6、

25、纳米粉体表面改性1）、引起纳米颗粒团聚的主要原因：纳米颗粒的表面静电荷引力 、纳米颗粒的高表面能 、纳米颗粒间的范德华力和纳米颗粒的表面的氢键及其化学键作用。2）、表面改性的方法：物理改性法、机械化学改性法、高能改性法3）、纳米颗粒的表面改性物：无机氧化物、有机化合物、纳米材料和聚合物7、纳米分散体系：1）纳米分散体系的种类及制备方法：超声分散法和机械分散法2）纳米磁流体：组成、制备及应用3）纳米润滑剂：特点及润滑机理8、碳纳米管1）碳纳米管的制备方法：电弧法、激光蒸发法、CVD法（基种法、喷淋法、浮动催化法）2）碳纳米管的结构与形态：根据碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将单壁碳纳米管为：开口

26、型、封口型、竹节型、变径型、螺旋型、海胆型、洋葱型3）碳纳米管的性能力学性能：碳纳米管是人类发现的强度最高的纤维电学性能：纳米稳定化设计要特别注意聚合物的化学结构，聚合物与纳米粒子之间的作用形式有形成共价键、形成离子键、形成配位键和纳米作用能的亲和作用。3、纳米复合材料的制备纳米微粒原位合成法、溶液共混法、聚合物基体原位聚合法、两相同步原位合成法相应例子。1、纳米陶瓷分类：1、根据复合材料中纳米相分为单相纳米陶瓷、复相纳米陶瓷；2、根据复合材料中纳米相分为晶内型纳米陶瓷、晶界型纳米陶瓷晶内晶界混杂型纳米陶瓷、纳米纳米弥散型；3、依据复合陶瓷的性能分类纳米结构陶瓷、纳米功能陶瓷。2、提高陶瓷粉体分散度的干燥方法：共沸蒸馏法、超临界流体干燥法、真空干燥法和冷冻干燥法3、高度分散的烧结浆料的配制方法：（1）溶液混合法、（2）多相悬浮液混合法、（3）溶胶悬浮液混合法4、纳米陶瓷的设计原则化学相容性原则、物理性质匹配原则、晶粒生长速率差异最大原则、原料粉体最细原则、烧结温度控制原则、组成控制原则5、纳米陶瓷的素坯成形技术干法成形：等静压成形、超高压成形、橡胶等静压成形、原位成形湿法成形：离心注浆成形、凝胶直接成形、凝胶浇注成形、渗透固化法1、纳米器件/结构制备和加工