纳米材料和纳米结构
纳米材料
绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。
Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。
2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。
（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。
4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。
分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。
5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。
可用于研究半导体、导体和绝缘体。
AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。
6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。
绪论-1(1)
4. J. nanosci. nanotech. 2001(美国科学出版社）(If 2.0)
5. Nanoletters
2001 (美国化学会）(10.37)
6. International Journal of Nanoscience, 2002
7. Small
2005（德国Wiley) (6.5)
但日前通常把亚微米 (0.1~1 微米 ) 体系有关 现象的研究称为介观领域。 这样就把纳米体系和团簇从这种狭义的介观 范围独立出来，从而形成纳米体系。 (0.1 （（1）~100nm)
朝永振一郎 施温格
费因曼
1965年诺贝尔物理学奖
1959年，著名的物理学家诺贝尔奖获得者 费曼预言：毫无疑问，当我们得以对细微 尺度的事物加以操作的话，将大大扩充我 们所得到的物性范围。
迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料中取得的， 为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、 木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。
绪
论 — 什么是材料？
材料与物质 (Materials and Matter) 材料可由一种或多种物质组成。 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以 得到用途各异、类型不同的材料。
纳米材料与纳米结构
焦 桓
（致知楼1352 jiaohuan@）
化学化工学院
绪
论 — 什么是材料？
Definition:
材料是指具有满足指定工作条件下使用要求 的形态和物理性状的物质。(any solid-state component or device that may be used to address a current or future societal need) 原料中取得生产物质的原料。 材料是制成成品的东西。
dna纳米结构结合纳米材料
dna纳米结构结合纳米材料
DNA纳米结构可以通过特定的设计和组装，与纳米材料相结合，从而创造出具有特定功能的新型复合材料。
这种结合可以带来许多潜在的应用，例如在生物医学领域用于药物输送、基因治疗和诊断，或者在纳米电子学领域用于制造更小、更高效的电子设备。
在构建DNA纳米结构时，科学家们利用了DNA的自我组装性质，通过设计特定的DNA序列，使其在分子尺度上自组装成具有预定结构和形态的纳米结构。
这种技术使得我们能够精确地控制纳米材料的形状和大小，从而实现对其性能的精细调控。
当DNA纳米结构与纳米材料相结合时，可以进一步增强这些材料的性能，或者赋予它们新的功能。
例如，通过将DNA纳米结构与金属纳米颗粒相结合，可以增强这些颗粒的生物相容性和稳定性，使其在生物医学应用中更加安全和有效。
同时，这种结合也可以提高这些材料的反应活性，使其在化学和生物传感等领域中具有更好的性能。
总的来说，DNA纳米结构与纳米材料的结合是一种非常有前途的技术，它能够创造出具有独特性质和功能的新型复合材料，为未来的科技发展带来新的机遇和挑战。
纳米材料和纳米结构
纳米材料和纳米结构1.纳米材料的概念：纳米材料是指至少在一维尺寸（长度、宽度或厚度）上具有纳米级尺寸的材料。
一般而言，纳米材料的尺寸在1到100纳米之间。
由于其尺寸处于纳米级别，纳米材料的物理、化学和生物学性质通常与宏观材料有显著的差异，具有更高的比表面积、改变了能带结构以及大量的界面等特殊性质。
2.纳米结构的概念：纳米结构是指由多个纳米尺寸的单元组成的结构。
一般而言，纳米结构的尺寸在1到100纳米之间。
与纳米材料相比，纳米结构更注重材料的组织和排列方式。
通过控制纳米材料的组织结构，可以调控纳米材料的性质和功能。
3.纳米材料的制备方法：纳米材料的制备方法非常多样，常见的方法有物理方法、化学方法和生物方法等。
物理方法包括溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法和机械法等。
这些方法主要是通过物理手段控制材料原子或分子的排列方式，从而获得纳米级尺寸的材料。
化学方法包括溶剂热法、水热法、水热合成法和溶胶-凝胶法等。
这些方法主要是通过化学反应调控材料的成核和生长过程，从而制备出具有纳米级尺寸的材料。
生物方法包括生物合成法和生物模板法等。
这些方法利用生物体或其产物作为模板，通过生物体内的生物酶或有机物质参与反应，可以制备出纳米级尺寸的材料。
4.纳米材料的性质：纳米材料由于其尺寸与宏观材料相比的差异，具备许多独特的性质。
首先，由于纳米材料的比表面积很大，表面原子和分子数目较多，使得纳米材料具有更高的催化活性，可以应用于催化剂和催化反应加速剂等领域。
其次，纳米材料的能带结构由于量子效应的影响而发生改变，出现了与宏观材料不同的能带分布和能带宽度，导致纳米材料的光学、电学和磁学性质产生变化。
这一特性使得纳米材料在光催化、光电子器件和磁性材料等领域有着广泛的应用。
另外，纳米材料中存在着大量的界面，这些界面可以提高材料的强度和硬度，改善材料的力学性能。
同时，纳米材料的特殊界面还可以实现对材料的精确控制，从而获得更多样的物理和化学性质。
纳米技术 第二讲 纳米材料及纳米结构
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零维（0D）纳米材料
silica nanoparticles
Pt nanoparticles
一维（1D）纳米材料
金纳米棒
碳纳米管
硅纳米线
ZnO纳米带
二维（2D）材料
“绽放在纳米世界的火红玫瑰” 磁控溅射法在单晶NaCl 衬底上制作Cu纳米薄膜 ，样品厚度约15nm 。
导电性能的转变
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。
■— 10nm; ▲— 12nm; X — 13nm; + — 22nm; ▼— 25nm; □ — 粗晶。
表面效应
表面效应（Surface Effect） 随着颗粒直径的变小，比表面积（表面积/体积）显著 地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原 子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样 的特性，这就是表面效应，又称界面效应。 超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会 迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有 意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致 密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超 微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料。
光谱线频移
纳米颗粒的吸收带通常发生蓝移。 SiC纳米颗粒的红外吸收峰为814cm-1，而块体SiC 固体为794cm-1。 CdS溶胶颗粒的吸收光谱随着尺寸的减小逐渐蓝移 （如下图所示）。 CdS溶胶颗粒 在不同尺寸下 的吸收光谱 谱线1：6nm; 谱线2：4nm; 谱线3：2.5nm; 谱线4：1nm
assembling system）、人工组装合成的纳米结构的材料体系或者 称为纳米尺度的图案材料（patterning materials on the nanometer scale）越来越受到重视。特点是强调按人们的意愿设计、组装、 创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，这也 是实现费曼预言，创造新奇迹的起点。
纳米科技技术的基本原理解析
纳米科技技术的基本原理解析引言：纳米科技是目前科技领域中备受关注的一个研究领域。
作为研发人员和科技爱好者，我们应该了解纳米科技的基本原理是什么，它如何影响我们的生活。
本文将对纳米科技的基本原理进行解析，并探讨其在各个领域中的潜在应用。
一、纳米科技的定义：纳米科技是研究和应用物质的特性和行为在纳米尺度范围内的科学与技术。
纳米尺度通常被定义为1到100纳米之间，即百万分之一至十六分之一的直径。
二、纳米科技的基本原理：纳米科技的基本原理主要涉及纳米材料和纳米结构。
纳米材料在纳米尺度下具备独特的物理、化学和生物学性质，相较于宏观材料具有许多优势。
1. 尺度效应：尺度效应是纳米科技的核心原理之一。
纳米材料的尺寸在原子和分子的尺度上，因此其性质与宏观材料存在明显差异。
纳米颗粒具有更大的比表面积，可提供更多的活性位点，从而在催化、吸附等方面表现出卓越性能。
2. 表面效应：相较于宏观材料，纳米材料的表面积更大，因此有更多的原子或分子暴露在表面。
纳米粒子的表面存在着更多的能级，使得其在催化、光催化、传感等应用中表现出更高的活性。
3. 量子效应：在纳米尺度下，物质的电子和光学性质会受到量子效应的影响。
量子效应使得纳米材料在光电、光学、磁性等方面表现出独特的特性。
例如，纳米晶体的量子点可发光颜色取决于颗粒的尺寸。
三、纳米科技的应用领域：纳米科技的应用潜力广泛，涵盖了许多领域，包括医疗、能源、材料、电子、环境等。
1. 医疗应用：纳米技术在医疗领域中有着巨大潜力。
纳米粒子可以作为载体，用于传递药物、基因，以及在肿瘤治疗中的靶向治疗。
纳米传感器可以用于检测和监测生物分子，以提高疾病的早期诊断和治疗效果。
2. 能源应用：纳米材料在能源领域中有广泛的应用前景。
纳米材料的电子、光学和磁性性质特殊，适用于太阳能电池、电池、液流电池以及催化剂等能源转换和储存设备中。
3. 材料应用：纳米材料在材料领域中应用广泛，可以用于制备高强度、高韧性、高导电导热等新型材料。
纳米材料的结构特征
2007物理诺贝尔奖介绍
瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会9号宣布，法国 科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因 1988年先后各自独立发现“巨磁电阻”效应而共同 获得2007年诺贝尔物理学奖。
阿尔贝·费尔
彼得·格林贝格尔
纳米材料的结构特征
纳米材料的机构特征
一、自然界中的纳米结构与纳米材料 二、纳米材料概论 三、纳米材料的分类
3.1、纳米微粒 3.2、纳米固体 3.3、纳米纤维 3.4、纳米薄膜
一、 自然界中的纳米结构与纳米材料
从纳米科技发展历史的角度来讲，1861年随着胶体化 学的建立，科学家们才开始对直径为1-100 nm的粒子 体系进行研究工作；真正有意识进行纳米粒子实验的 是20世纪30年代日本人为了军事目的进行的“沉烟实 验”,1959年著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼发 表了重要演讲，提出了纳米技术的设想，之后纳米材 料和纳米科技得到了蓬勃的发展。但是，“纳米”并 不是人类的专利，早在宇宙诞生之初，它们就存在了。
纳米材料的晶界组元
晶界组元：纳米材料中 晶界占有很大的体积分 数，因而，对纳米材料 来说，晶界不仅仅是一 种缺陷，更重要的是构 成纳米材料的一个组元， 即晶界组元，是评定纳 米材料的一个重要参数。
（1）纳米固体材料的结构组成 (A)纳米晶体材料的组成：晶粒组元(所有原子都位
于晶粒的格点上) ＋晶界组元； (B)纳米非晶材料的组成：非晶组元＋界面组元； (C)纳米准晶材料的组成：准晶组元＋界面组元。
纳米热电材料
纳米储能材料
3.1、纳米微粒 定义尺度
颗粒：指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体。这里所说的一 定一定尺寸一般在毫米到纳米之间，颗粒不仅指固体颗粒，还有雾 滴、油珠等液体颗粒。 一般而言，在室温下，物理化学性质发生显著变化的颗粒尺寸，多数 处于0.1微米以下，因而从功能材料角度出发，可以将超细微颗粒尺 寸的上限定位0.1微米，即100纳米。 目前机械法粉碎获得颗粒的尺寸一般只能到1微米。超微颗粒是指超 越常规制粉手段所获得的微粒。因此1微米可作为超微颗粒的上限， 所以笼统的说超微颗粒尺寸在1到1000纳米之间（小于1微米）。大 于1微米就是通常的微粉，小于1纳米的粒子称为原子簇。 超细微颗粒也被称为纳米粒子，纳米颗粒、纳米微粒等。
纳米材料及其分类
分的多层膜为超晶格材料，具有人们熟知的量子阱结构。
第3系列为不同成分的第二相分布于多层膜间和晶粒间的纳米材料。如 Ga偏 析在纳米W的等轴晶界，将Al2O3和 Ga放在一起球磨，形成纳米尺寸的Al2O3被网
状的非晶Ga膜分离的纳米材料均属此系列。
第4系列为纳米尺寸的晶体（层状、杆状和等轴晶）弥散分布在不同成分基体 中的复合纳米材料。例如纳米尺寸的Ni3Al沉淀粒子
1906年Wilm发现的Al-4%Cu合金的时效硬化，经精细X-射线和透射电镜研究
发现，它是由Cu原子偏析形成的原子团（GP区）和与母相共格的纳米θ’沉淀 析出而引起的。因此，时效在金属材料内沉淀析出小于100nm的粒子早成为提
高金属材料特别是提高有色金属材料强度的重要技术，至今已在材料工程中得
到广泛的应用。
二、纳米材料的结构
应用纳米结构， 可将它们组装成 各种包覆层和分散 层、高表面材料、 固体材料和功能 纳米器件，如图 1-3所示。
二、纳米材料的结构
当纳米结构由有限数量的原子组成时，可适用于原子尺度 的精细工程，这是纳米技术的基础。 纳米结构的基本特性，特别是电、磁、光等特性是由量子 效应所决定的，使纳米材料的性能具有尺寸效应，从而纳米结 构具有许多大于0.1μm的显微组织所不具备的奇异特性。
分布在Ni基体中的Ni3Al/Ni合金就属此系列，为0-3型复合。
四、纳米材料的发展历史
在自然界存在大量的天然纳米结构，例如在许多动物中就发现存在约由 30nm的磁性粒子组成的用于导航的天然线状或管状纳米结构（图1-2），在花棘 石鳖类、座头鲸、候鸟等动物体内都发现了这种纳米磁性粒子。此外，还发现 珍珠、贝壳是由无机CaCO3与有机纳米薄膜交替叠加形成的更为复杂的天然纳米 结构，因而具有和釉瓷相似的强度，同时具有比釉瓷高得多的韧性。
纳米材料与技术-纳米结构与器件
第八章纳米结构与器件一、纳米结构概述二、人工纳米结构组装体系三、纳米结构和分子自组装体系四、厚膜模板合成纳米阵列五、介孔固体和介孔复合体六、MCM—41介孔分子筛七、单电子晶体管八、碳纳米管有序阵列体系的CVD合成一、纳米结构概述1. 定义纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新的体系。
该体系是当前从纳米材料领域派生出来的含有丰富科学内涵的一个重要分支科学。
2. 学科特点以原子为单元的有序排列，相对独立，有其自身的特点：①有许多奇特的理化现象和性质②与下一代量子结构器件密切相关3. 主要内容①纳米级物质单元：纳米微粒、团簇、人造超原子；纳米管、棒、丝、线、缆线、带状结构；纳米尺寸的空位、孔洞等②构筑过程中的驱动力：外因—人工纳米结构组装体系内因—纳米结构自组装体系；分子自组装体系。
4. 研究意义将对于纳米材料中的基本物理效应的认识不断引向深入①可研究单个纳米结构单元的行为、特性②可对纳米材料基元的表面进行控制，认识其间的耦合、协同效应可建立新原理，构筑纳米材料体系的理论框架，为自由利用纳米材料的理化特性、创造新的物质体系和量子器件打下基础。
二、人工纳米结构组装体系按人类的意志，利用物理、化学的方法，人为地将纳米尺度的物质单元按一定的规律组装、排列，构成一维、二维和三维的纳米阵列结构体系。
体系的特性①纳米微粒的特性：小尺寸、量子尺寸、表面效应等②组合后的新特性：量子耦合效应、协同效应等③可通过外场控制光、电、磁场操控体系的性能 纳米超微型器件 创造出新的物质体系：纳米结构、量子效应原理性器件等。
通过对纳米材料基本单元的行为、特性的研究、控制，可建立新的原理。
是纳米材料研究的前沿。
三、纳米结构和分子自组装体系1. 定义①纳米结构自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键（氢键、Van der Waals键和弱离子键）的协同作用把原子、离子或分子连接在一起，构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。
纳米材料与技术- 纳米结构单元
第一章纳米结构单元一、零维单元1．团簇（cluster）2．纳米微粒3．人造原子二、一维单元1．碳纳米管2．纳米棒、丝、线3．同轴纳米电缆4．纳米带5．纳米线研究进展一、零维单元1．团簇（cluster）（1）定义：是一类化学物种，指几到几百个原子的聚集体，粒径尺度小于1nm。
是介于单个原子与固态之间的原子集合体。
（2）组成：一元（含金属、非金属团簇），二元及多元原子团簇，原子团簇化合物（3）结构：以化学键紧密结合（除惰性气体外），球状、骨架状、四面体、葱状及线、管、层状等。
（4）物理性质：表面效应、量子尺寸、几何尺寸效应、掺杂物性等（5）研究：多学科交叉C60：寻找星际间分子而发现2．纳米微粒：超微粒子（ultra-fine particle）(1) 定义：尺寸在nm量级的超细微粒，尺度在1~100nm 之间，大于原子团簇，小于通常的微粒。
尺寸为红血球和细菌的几分之一，与病毒大小相当。
“要用TEM才能看到的微粒。
”(2) 性质：由微观到宏观世界的过渡区域，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。
特殊的微观机制→影响宏观性质（生物活性由此产生）(3) 研究：制备、合成和应用。
3．人造原子（artificial atom, super-atom）(1) 定义：尺寸小于100nm的、由一定数量的实际原子组成的聚集体。
包括：准0维的量子点、准1维的量子棒、准2维的量子圆盘、及100nm左右的量子器件(2) 特性：（量子效应）i) 与原子相似之处：a. 离散的能级和电荷b. 电子填充服从洪德定律ii) 与原子的差别：a. 含有一定数量的原子b. 形状、对称性多种多样c. 电子间的相互作用复杂d. 电子在抛物线形的势阱中，上层电子束缚弱(3) 应用：体系的尺度与物理特征量相当量子效应→新原理、新结构二、一维单元1．碳纳米管（Bucky Tube巴基管）发现：1991年，日本电气公司（NEC）高级研究员、名城大学教授饭岛澄男（Sumio Iijima）利用透射电镜首次观察到碳纳米管。
纳米结构与纳米材料25个题目+完整答案
1.什么是纳米材料？其内涵是什么？（从零、一、二、三维考虑）2.纳米材料的四大效应是什么？对每一效应举例说明。
3.纳米材料的常用的表征方法有哪些？4.用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品有哪些特定要求？从它们的图像中能够得到哪些基本信息？5.纳米颗粒的高表面活性有何优缺点？如何利用？6.在纳米颗粒的气相合成中涉及到哪些基本环节？气相合成大致可分为哪四种？气相成核理论的机制有哪两种？7.溶胶-凝胶法制备纳米颗粒的基本过程是怎样的？8.用溶胶-凝胶技术结合碳纳米管的生长机理，可获得密度不同的碳纳米管阵列（也叫纳米森林），简要阐述其主要步骤及如何控制碳纳米管的分布密度？9.改变条件可制备不同晶粒大小的二氧化钛，下图分别为两种晶粒尺寸不同的二氧化钛的XRD图与比表面积数据。
请用Scherrer 方程、BET比表面积分别估算这两种二氧化钛的晶粒尺寸（XRD测试时所用的 = 1.5406Å，锐钛矿相二氧化钛的密度是3.84 g/cm3）（默写出公式并根据图中的数据来计算）。
10.氧化物或者氮化物纳米材料具有许多特殊的功能，请以一种氧化物或者氮化物为例，举出其三种主要的制备方法（用到的原料、反应介质、主要的表征手段）、主要用途（与纳米效应有关的用途）、并介绍这种物质的至少两种晶相。
11.举出五种碳的纳米材料，阐述其一维材料与二维材料的结构特点、用途。
12.简述纳米材料的力学性能、热学性能与光学性能有怎样的变化？13.什么叫化学气相沉积法，它与外场结合又可衍生出哪些方法？简述VLS机制。
14.纳米半导体颗粒具有光催化性能的主要原因是什么？光催化有哪些具体应用15.利用机械球磨法制备纳米颗粒的主要机制是什么？有何优、缺点？16 何为“自催化VLS生长”？怎样利用自催化VLS生长实现纳米线的掺杂？17.液相合成金属纳米线，加入包络剂(capping reagent)的作用是什么？18.何为纳米材料的模板法合成？它由哪些优点？合成一维纳米材料的模板有哪些？19.试结合工艺流程图分别说明氧化铝模板的制备过程以及氧化铝模板合成纳米线阵列的过程20.从力学特性、电学特性和化学特性来阐述碳纳米管的性质，它有哪些主要的应用前景？21.如何提高传统光刻技术中曝光系统的分辩率？22.试比较电子束刻蚀和离子束刻蚀技术的异同点和优缺点。
纳米材料类别
纳米材料类别纳米材料是指至少在一维尺度上具有至少一个尺寸小于100纳米的材料。
纳米材料因其独特的物理、化学和生物学特性而备受关注，被广泛应用于材料科学、生物医学、能源储存等领域。
根据其结构和性质的不同，纳米材料可以分为多个类别。
一、纳米颗粒。
纳米颗粒是指尺寸在1-100纳米范围内的颗粒状材料，常见的有金纳米颗粒、银纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒等。
这些纳米颗粒具有较大的比表面积和特殊的光学、电学性质，因此在生物医学成像、光催化、传感器等领域有着广泛的应用。
二、纳米结构材料。
纳米结构材料是指在三维空间中具有纳米级结构的材料，如纳米线、纳米管、纳米片等。
这些材料具有优异的电子、光学、热学性能，被广泛应用于柔性电子器件、纳米传感器、纳米发电机等领域。
三、纳米复合材料。
纳米复合材料是指将纳米材料与宏观材料进行复合，以获得优异的性能。
常见的纳米复合材料包括纳米陶瓷复合材料、纳米聚合物复合材料等。
这些材料具有优异的力学性能、导热性能和电学性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、新能源等领域。
四、纳米生物材料。
纳米生物材料是指在生物医学领域中应用的纳米材料，如纳米药物载体、纳米生物传感器等。
这些材料具有良好的生物相容性和靶向性，被广泛应用于药物输送、肿瘤治疗、疾病诊断等领域。
五、纳米碳材料。
纳米碳材料是指由碳原子构成的纳米材料，如纳米碳管、石墨烯等。
这些材料具有优异的导电性、导热性和力学性能，被广泛应用于电子器件、超级电容器、储能材料等领域。
六、纳米氧化物材料。
纳米氧化物材料是指由金属与氧原子结合而成的纳米材料，如二氧化钛纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒等。
这些材料具有优异的光学、电学和催化性能，被广泛应用于环境治理、光催化、能源储存等领域。
七、纳米功能材料。
纳米功能材料是指具有特定功能的纳米材料，如磁性纳米材料、光学纳米材料等。
这些材料具有特殊的功能性能，被广泛应用于传感器、信息存储、光学器件等领域。
总结，纳米材料类别繁多，每种类别的纳米材料都具有独特的物理、化学和生物学特性，被广泛应用于各个领域。
dna纳米结构结合纳米材料
dna纳米结构结合纳米材料纳米材料与DNA纳米结构的结合是一项令人兴奋的研究领域。
通过将DNA纳米结构与纳米材料相结合，科学家们可以创造出一系列具有惊人性能和潜力的新材料。
DNA纳米结构是由DNA分子自组装形成的纳米尺度结构。
DNA分子拥有特殊的自组装能力，可以通过碱基对之间的互补配对形成稳定的结构。
这使得科学家们可以利用DNA分子的自组装能力来构建各种精确的结构，如纳米管、纳米片和纳米球等。
而纳米材料则是具有纳米尺度特征的材料，拥有特殊的物理、化学和光学性质。
将DNA纳米结构与纳米材料结合起来，可以获得许多优势。
首先，DNA纳米结构可以作为纳米材料的模板，用于控制纳米材料的形状和尺寸。
通过调控DNA分子的长度和序列，可以精确地控制纳米材料的形态和结构，从而调节其性能。
其次，DNA纳米结构可以作为纳米材料的载体，用于储存和释放分子药物。
通过将分子药物与DNA纳米结构结合，可以实现药物的稳定储存和定向释放，提高药物的疗效和减少副作用。
此外，DNA纳米结构还可以用作纳米材料的传感器，通过改变DNA结构的形态来检测环境中的分子和离子。
除了上述应用外，DNA纳米结构与纳米材料的结合还具有许多其他潜在应用。
例如，DNA纳米结构可以用于构建纳米电路，实现超快速的计算和信息处理。
此外，DNA纳米结构还可以用于制备高性能的光伏材料和催化剂，提高能源转换效率和化学反应速率。
此外，DNA纳米结构与纳米材料的结合还可以用于制备高效的电池材料和超级电容器，实现能量的高效存储和释放。
DNA纳米结构与纳米材料的结合具有广阔的应用前景。
通过充分发挥DNA分子的自组装能力和纳米材料的特殊性质，科学家们可以创造出一系列具有优异性能和多功能性的新材料。
这些新材料将为各个领域的科学研究和应用提供重要支持，推动人类社会的进步和发展。
纳米物理学
纳米物理学是研究纳米尺度下物质性质和行为的一门科学。
纳米物理学的研究范围非常广泛，包括纳米结构、纳米材料、纳米器件、纳米生物医学等。
在纳米物理学中，研究的一个重要方向是纳米结构。
纳米结构是指物质在纳米尺度下的排列和组合方式。
在纳米尺度下，物质的性质和行为与宏观尺度下有很大的不同，因此纳米结构的研究对于理解纳米尺度下的物质性质和行为非常重要。
另一个重要的研究方向是纳米材料。
纳米材料是指由纳米尺度的颗粒组成的材料。
这些颗粒可以是金属、半导体、绝缘体等不同的物质，也可以是不同物质组成的复合材料。
由于纳米材料具有很多独特的性质，如高强度、高韧性、高硬度、高耐磨性等，因此在很多领域都有广泛的应用前景。
纳米物理学的研究还涉及到纳米器件。
纳米器件是指利用纳米尺度的结构和材料制成的器件。
这些器件可以是电子器件、光电子器件、生物器件等。
由于纳米器件具有很多独特的性质，如高灵敏度、高分辨率、高速度等，因此在很多领域都有广泛的应用前景。
除了上述的研究方向，纳米物理学还涉及到很多其他领域，如纳米生物医学、纳米能源等。
在纳米生物医学中，纳米物理学可以用于研究生物分子的结构和功能，以及药物分子的传输和释放等。
在纳米能源中，纳米物理学可以用于研究太阳能电池、燃料电池等的能量转换效率和稳定性等。
总之，纳米物理学是一门非常重要的科学，对于理解纳米尺度下的物质性质和行为，以及开发新的技术和应用都具有非常重要的意义。
随着科学技术的不断发展，纳米物理学的研究将会更加深入和广泛，为人类带来更多的创新和进步。
《纳米材料与纳米结构》课程复习题
《纳米材料与纳米结构》课程复习题1.纳米颗粒有哪些基本的效应？久保理论;尺寸效应;表面与界面效应;体积效应;量子尺寸效应;宏观量子隧道效应2.什么是超顺磁性？讨论产生超顺磁性的原因。
磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于居里点时，材料将变成“顺磁体”（paramagnetic），其磁性很容易随周围的磁场改变而改变。
如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性能，这种现象被就是所谓超顺磁效应。
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，易磁化方向做无规律的变化，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3.用机械法来制备纳米颗粒有什么优点和缺点？优点：过程简单，大规模生产容易，花费少，不污染环境，没有后续过程的问题缺点：能源消耗高，难以控制粒子形貌，夹有杂质4.纳米颗粒材料与相同块体材料的光学性质有何差异？纳米固体的光吸收具有常规粗晶不具备的一些新特点。
金属纳米固体等离子共振吸收峰变得很弱，甚至消失。
半导体纳米固体中粒子半径小于或等于激子玻尔半径时，会出现激子（Wannier激子）光吸收带（例如，粒径为4.5 nm的CdSexS 1-x，在波长约450 nm处呈现一光吸收带）。
相对常规粗晶材料，纳米固体的光吸收带往往会出现蓝移或红移。
例如，纳米NiO块体的4个光吸收带（3.30，2.99，2.78，2.25 eV）发生蓝移，三个光吸收带（1.92，1.72，1.03 eV）发生红移，与纳米粉体相类似。
纳米结构材料由于颗粒很小，这样由于小尺寸会导致量子限域效应，界面结构的无序性使激子，特别是表面激子很容易形成；界面所占的体积很大，界面中存在大量缺陷，例如悬键，不饱和键和杂质等，这就可能在能隙中产生许多附加能隙；纳米结构材料中由于平移周期的破坏，在动量空间（k空间）常规材料中电子跃迁的选择定则对纳米材料很可能不适用，这些就会导致纳米结构材料的发光不同于常规材料，有自己新的特点。
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纳米材料和纳米结构1.纳米微粒尺寸的评估在进行纳米微粒尺寸的评估之前，首先说明如下几个基本概念：（1）关于颗粒及颗粒度的概念（i）晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。
（ii）一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子，颗粒内部可以有界面，例如相界、晶界等。
（iii）团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。
团聚体内含有相互连接的气孔网络。
团聚体可分为硬团聚体和软团聚体两种。
团聚体的形成过程使体系能量下降。
（iv）二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。
例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。
纳米粒子一般指一次颗粒，它的结构可以是晶态、非晶态和准晶，可以是单相、多相结构。
只有一次颗粒为单晶时，微粒的粒径才与晶粒尺寸（晶粒度）相同。
（2）颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说，颗粒尺寸（粒径）是指其直径。
对不规则颗粒，尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径、投影面积直径等。
粒径评估的方法很多，这里仅介绍几种常用的方法。
A 透射电镜观察法用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。
该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性。
首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上，待悬浮液中的载液（例如乙醇）挥发后，放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像，然后由这些照片来测量粒径。
测量方法有以下几种：（i）交叉法：用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度，然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子（1.56）来获得平均粒径；（ii）测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。
（iii）求出颗粒的粒径或等当半径，画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图，将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。
用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径，这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声波分散法，使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们全部分散成一次颗粒，特别是纳米粒子很难分散，结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体，在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。
电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性，这是因为电镜观察用的粉体是极少的，导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。
B X射线衍射线线宽法（谢乐公式）电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。
X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。
当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度。
颗粒为多晶时，测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。
这种测量方法只适用晶态的纳米粒子晶粒度的评估。
实验表明精力度小于50nm时，测量值与实际值相近，反之，测量值往往小于实际值。
晶粒度很小时，由于晶粒的细小可引起衍射线的宽化，衍射线半高强度处的线宽B与晶粒尺寸d的关系为：d=0.89λ/B cosθ（1）式中B表示单纯因晶粒度细化引起的宽化度，单位为弧度。
B为实测宽度B M与仪器宽化B S之差：B=B M-B S或B2=B M2-B S2B S可通过测量标准样品（粒径>1μm）的半峰值强度处的宽度得到。
B S与B M的测量峰位应尽可能靠近。
最好是选取与被测量纳米粉相同材料的粗晶样品。
在计算晶粒度时还需要注意以下问题：（i）应选取多条低角度X射线衍射线（2θ≤50︒）进行计算，然后求得平均粒径，高角度衍射线的Kα1与Kα2双线分裂开，这会影响测量线宽化值；（ii）当粒径很小时（数个纳米左右），由于表面张力的增大，颗粒内部受到大的压力，从而在颗粒内部产生第二类畸变，也会导致衍射线宽化，此时应当从测量的半高宽度中扣除这类畸变引起的宽化。
此外，通过衍射图谱的拟合，从半高峰宽随cosθ的变化关系也可得到一个拟合参数S=0.89λ/B，利用公式（1）可以计算出晶粒尺寸d来。
通过透射电镜观察法与衍射线线宽法结果的比较，还可以了解纳米粒子是晶粒还是一次颗粒或团聚体。
C 比表面积法通过测定粉体单位重量的比表面积S w,可由下式计算纳米粉中粒子直径（假定颗粒呈球形）：d=6/ρS w,式中，ρ为密度，d为比表面积直径。
S w的一般测量方法为BET多层气体吸附法，该方法是固体比表面测定时常用的方法。
S w=ZV m,Z是个常数，对不同的吸附气体有不同的值（有表可查）。
V m是气体的吸附量，BET法的关键就是确定V m的值。
V m的测量方法有测定已知量的气体在吸附前后的体积差（容量法，又分为定容法和定压法两种）和直接测定固体吸附前后的重量差（重量法）两类方法。
实际测定需先将样品在真空、高温条件下进行脱气处理，以清除固体表面上原有的吸附物，决定测量精度的主要因素为颗粒的形状和缺陷，如气孔、裂缝等。
D X射线小角散射法小角散射是指X射线衍射中倒易点阵原点（000）结点附近的相干散射现象。
散射角大约为10-2~10-1rad数量级。
衍射光的强度，在入射光方向最大，随衍射角增大而减小。
球形颗粒的重心转动惯量的回转半径与球半径r的关系为：R=0.77r。
如果得到散射强度I与散射角ε的关系曲线lnI-ε2，由其直线斜率σ可以得到R=0.49（-σ）1/2，从而得到颗粒半径r。
用lnI-ε2直线进行颗粒度测量时，试样的粒子必须相互之间有一定距离，而且粒子必须具有相同的形状、大小。
否则，lnI-ε2关系成一上凹曲线，根据这一曲线可求出样品中粒度分布和平均尺寸来，但计算较为繁复且需要建立假设模型。
E 拉曼散射法测量的是平均粒径：d=2π(B/∆ω)1/2,式中B为一常数，∆ω为纳米晶的拉曼谱中某一晶峰相对于相同材料的常规晶粒的对应晶峰峰位的偏移量。
F 光子相关谱法该方法是通过测量微粒在液体中的扩散系数来测定颗粒度。
微粒在溶剂中形成悬浮液时会作布朗运动，当激光照射到作布朗运动的粒子上时，散射光的强度会随时间发生变化。
在微秒至毫秒级的时间间隔中，粒子越大位置变化越慢，散射强度的变化（涨落）也越慢。
根据在一定时间间隔中的这种涨落可以测定粒子尺寸。
该方法的优点是可以获得精确的粒径分布，特别适合于工业化生产产品的粒径检测。
但要注意职称分散度十分好的悬浮液。
此外，粒径测量方法还有穆斯堡尔谱和扫描隧道显微镜方法等。
2.纳米固体材料的微结构材料的性质与材料的结构有密切的关系，搞清纳米材料的微结构对进一步了解纳米材料的特性是十分重要的。
A 纳米固体的结构特点纳米微晶的结构研究表明，它有两种组元：（i）晶粒组元，组元中所有原子都位于晶粒内的格点上；（ii）界面组元，所有原子都位于晶粒之间的界面上。
纳米非晶固体或准晶固体是由非晶或准晶组元与界面组元构成。
晶粒、非晶和准晶组元统称为颗粒组元。
纳米微晶界面的原子结构取决于相邻晶体的相对取向及边界的倾角。
如果晶体取向是随机的，则纳米固体物质的所有晶粒间界将具有不同的原子结构，这些结构可由不同的原子间距加以区分。
如图所示。
界面组元的微结构与长程序的晶态不同，也和典型的短程序的非晶态有所差别。
纳米非晶结构材料与纳米微晶不同，它的颗粒组元是短程有序的非晶态。
界面组元的原子排列比颗粒组元内原子排列更混乱。
B 纳米固体界面的结构模型纳米材料结构的描述主要包括颗粒的尺寸、形态及其分布，界面的形态、原子组态或者键组态，颗粒内和界面的缺陷种类、数量及其组态，颗粒内和界面的化学组分、杂质元素的分布等。
其中界面的微结构在某种意义上是影响纳米材料性质的最重要的因素。
与常规材料相比，过剩体积的界面对纳米材料的许多性质负有重要的责任。
近年来，对纳米材料界面结构的研究一直成为人们努力探索的热点课题。
尽管在实验上用各种手段对不同种类的纳米微晶和纳米非晶材料的界面进行研究，得到了很多实验事实，但界面结构还处于争论阶段，尚未形成统一的结构模型。
1987年Gleiter等人提出了类气态模型，认为纳米微晶界面内原子排列既没有长程有序，又没有短程序，是一种类气态的，无序程度很高的结构。
目前，已经很少有人再用这个模型。
后来的有序模型认为纳米材料界面的原子排列是有序的，但有序程度各不相同。
有人认为纳米材料和粗晶材料的界面结构没有太大差别，有人提出纳米结构材料界面原子排列是有序的、局域有序或者扩展有序的，也有人提出界面有序是有条件的，主要取决于界面的原子间距和颗粒大小。
结构特征分布模型的基本思想是纳米结构材料的界面结构是多种多样的，由于能量、缺陷、相邻晶粒取向以及杂质偏聚上的差别，使得纳米材料中的界面存在一个结构上的分布，它们都处于无序到有需的中间状态。
有的接近无序，有的是短程有序或者是扩展有序，甚至是长程有序。
结构特征分布受制备方法、温度、压力等因素的影响很大。
比如退火温度的升高或者压力增大，会使有序或扩展有序界面的数量增加。
目前用各种手段观察到界面结构上的差异都可以用这个模型统一起来。
实际上纳米材料结构具有多样性，存在一个结构特征分布。
C 纳米固体界面的X光实验研究晶体结构上的特征是其中原子在空间的排列具有周期性，即具有长程有序。
多晶是由许多取向不同的单晶晶粒组成，在每一晶粒中原子的排列仍是长程有序的。
非晶态原子的空间排列不是长程有序的，但却保持着短程有序，即每一原子周围的最近邻原子数与晶体一样是确定的，而且这些最近邻原子的空间排列方式仍大体保留晶体的特征，但随着原子间距的增大，原子的分布已不再具有晶体中的长程序。
人们最先就是通过用X射线衍射结构分析手段研究纳米材料界面中原子的排列来了解纳米材料界面结构的微观特征的。
到目前为止，X射线衍射研究还无法通过数据拟合得到纳米材料界面结构，但这是研究的方向，还有一些难点需要克服。
界面结构的获得还主要通过：假定一个结构模型，由此计算出理论衍射图谱，然后与实验图谱进行比较，如果不一致再对新的结构模型进行计算比较。
实际上即使是模型也要进行许多的简化才能进行计算。
朱星老师等曾计算了纳米Fe微晶的X射线衍射强度，方法是按某种方式假定晶粒中（晶粒体积取纳米晶粒的平均值）所有原子的位置，然后计算在各个方向的散射强度（衍射图谱）并与实验结果比较。
界面组元的结构特征则通过对在晶体结构和无序结构两极端情况之间不同情况的计算结果与实验结果比较而得到（通过改变表面原子层原子无规移动量的大小而改变无序程度）。
也有人是把纳米微晶与粗晶多晶的衍射背景和图谱进行比较，发现二者相差不多，从而分析出界面原子是趋于有序的排列。
研究界面结构的方法还有：扩展X射线吸收精细结构（EXAFS），测量比较纳米块体、粉体和粗晶多晶的EXAFS幅度；对于纳米非晶固体界面采用不同热处理后的X射线径向分布函数比较或XPS比较来了解最近邻配位数和距离等微结构；高分辨透射电镜可以直接观察纳米微晶及其界面的原子结构（如图所示），但要避免试样制备过程中和电子束诱导的界面结构弛豫的产生；穆斯堡尔谱研究可以分析原子核与其核外环境之间的超精细相互作用，可以测量拟合出晶体成分和界面成分两组谱线的差别及其随温度的变化，从而分析两种成分的结构差异；由于材料内部的某种原因使机械能逐渐被消耗的现象称为内耗。