第四篇 纳米材料及其应用

第四篇 纳米材料及其应用
第四篇 纳米材料及其应用
纳米材料科学——对介于团簇和 亚微米级体系之间1—100nm微小体 系的制备及其特性的研究的一个分 支学科。
1990年7月在美国巴尔基摩召开的国际第一 届纳米科学技术学术会议上，正式把纳米材料 科学作为材料科学的一个分支公布于世。纳米 材料科学的诞生标志着材料科学已经进入了一 个新的层次。
5、军事上的应用 纳米隐身涂料 纳米机器人——“纳米微型军”
2、低温等离子体增强化学气相沉积法
（PECVD）
基础——化学气相沉积法 原理——由于等离子体是不等温系统， 其中“电子气”具有比中性粒子和正离 子大得多的平均能量；电子的能量足以 使气体分子的化学键断裂，并导致化学 活性高的粒子（离子、活化分子等基团） 的产生。即，反应气体的化学键在低温 下就可以被分解，从而实现高温材料的 低温合成。
1、磁性材料 磁流体是磁性材料应用的一个典型。 磁流体——是使强磁性超微粒子外包裹 一层长链的表面活性剂，稳定地分散在 基液中形成的胶体。 磁流体的特性——具有固体的强磁性 和液体的流动性。
磁流体的应用：磁密封、磁液扬声器、 磁记录等 此外，还可作为光快门、光调节器、 激光磁爱滋病毒检测仪等仪器仪表材料； 抗瘤药物磁性载体、细胞磁分离介质、 复印机墨粉、磁性墨水等材料。
三、纳米材料的热学特性 纳米微粒的熔 点、烧结温度 和晶化温度均 比常规粉体低 得多。这是纳 米微粒量子效 应造成的。
四、纳米材料的磁学特性 纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效 应、表面效应，使其具有常规粗晶材料 不具备的磁特性。 主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居 里温度和磁化率。
超顺磁状态的起因： 由于小尺寸下，当各向异性能减小到 与热运动能可相比时，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。 例如，粒径为85nm的纳米镍Ni微粒， 矫顽力很高，而当粒径小于15nm时，其 矫顽力Hc→0，即进入了超顺磁状态。
五、纳米材料的光学特性 1、宽频带强吸收 当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳 米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的 反射率极低。这就是纳米材料的强吸收 率、低反射率。 例如，铂金纳米粒子的反射率为1%。 纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对 红外有一个宽频带强吸收谱。
2、纳米微粒分散物系的光学性质和发光效 应 纳米微粒分散于介质中形成分散物系 （溶胶），纳米微粒称为胶体（或分散 相）。 由于在溶胶中胶体的高分散性和不均 匀性，使得分散物系具有特殊的光学特 性，例如丁达尔效应。
4、传感器材料 传感器主要材料是金属。一般超微粒金 属是黑色，它具有吸收红外线的特点， 且表面积大、表面活性高，对周围环境 变化十分敏感。
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⑴ 气体传感器 利用金属氧化物随周围环境中气体的 改变，电学性能（如电阻）发生变化， 反过来对气体进行检测和定量测定。它 可用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传 感器。 ⑵ 红外线传感器 由金超微粒子沉积在基板上形成的膜 可用作红外线传感器，制成辐射热测量 器。
二、纳米材料的量子效应 1、量子尺寸效应 以下两种情形均称为量子尺寸效应： 一是纳米粒子尺寸小到某一值时，在 费米能级附近的电子能级由准连续变为 离散的现象； 二是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，能级间隔变宽现象。
当能级间隔大于热能、磁能、静电能、 光子能量或超导态的凝聚能时，就必须 要考虑量子尺寸效应。 量子尺寸效应导致纳米微粒的磁、光、 声、热、电以及超导电性与宏观特性有 着显著的不同。 例如，当温度为1K时， Ag纳米微粒粒 径< 14nm时，Ag纳米微粒变为金属绝缘体。
2、光学应用 ⑵ 紫外吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应使它对某种 波长的光吸收带有蓝移现象；纳米微粒 粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。 利用这两种特性，人们制成纳米紫外吸 收材料。
3、生物和医学上的应用 纳米微粒的尺寸一般比生物体的细胞、红血 球小得多，这就为生物学和医学研究和应用提 供了途径。 生物应用，主要在生物细胞分离、细胞内部 染色体等方面。生物细胞分离的目的，是快速 获取研究所需的细胞标本。 医学上的应用，大体上说，是将磁性纳米粒 子作为药物的载体，静脉注射到动物体内，在 外加磁场的作用下，通过纳米微粒的磁性导向， 使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。
2、小尺寸效应 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 纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减 小，导致声、光、电、磁、热力学等特 性呈现新的变化，称为小尺寸效应。 例如，光吸收显著增加并产生吸收峰 的等离子共振频移；磁有序态向磁无序 态转变；超导相向正常相的转变；声子 谱发生改变等。
1、微波源 2、真空系统 3、励磁系统 4、配气系统 5、反应室 6、基片加热 系统
低温等离子体增强化学气相沉淀技术的优点： ① 运行气压低。 ② 等离子体密度高。 ③ 无内电极放电，杂质少，污染小。 ④ 微波能量转换率高，达95%。 ⑤ 离子能量低。 ⑥ 可稳态运行，参数易于控制。 ⑦ 速率高、纳米材料纯度高。 ⑧ 提高了反应物的活性。 ⑨ 有良好的各向异性刻蚀性能。
第四篇 纳米材料及其应用 一、纳米微细材料的工艺方法 二、纳米材料的量子效应 三、纳米材料的热学特性 四、纳米材料的磁学特性 五、纳米材料的光学特性 六、纳米微粒的分析和测量 七、纳米材料的应用
一、纳米微细材料制造的工艺方法 1、激光诱导化学气相沉积法 （LICVD） 基本原理——利用反应气体分子对特 定波长激光束的吸收，引起反应气体分 子激光光解、激光热解、激光光敏化和 激光诱导合成，在一定工艺条件下，获 得纳米微粒。 优点——表面清洁、纳米微粒大小可 精确控制、无粘结、粒度分布均匀。
丁达尔效应——如果让一束聚集的光 线通过分散物系，在入射光的垂直方向 上可以看到一个发光的圆锥体。 另外，当纳米微粒的尺寸小到一定值 时，可在一定波长的光激发下发光。这 是载流子的量子限域效应引起的。
六、纳米材料的应用 由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效 应、量子效应和宏观量子隧道效应，使 得它在磁、光、电、敏感等方面呈现常 规材料不具备的特性，因此纳米微粒在 磁性材料、传感、医学、传感、军事等 方面有广泛的应用。 1、磁性材料 2、光学应用 3、生物和医学上的应用 4、传感材料 5、军事上的应用
2、光学应用 纳米策粒的小尺寸效应使其具有与常 规大块材料不同的光学特性。如光学非 线性、光吸收、光反射、光传输过程中 的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸的很 大的依赖关系。 ⑴ 光学纤维 光纤在现代通信和光传输上占据极为 重要的地位。而纳米微粒作为光纤的材 料可以降低光导纤维的传输损耗。关键 是要经过热处理，经过热处理的光纤比 未经过热处理的光纤性能好得多。
3、液相法制备纳米材料 化学共沉淀是利用各种组分元素的可 溶性盐类，把它们按一定的比例配制成 液体，然后加入沉降剂，如 NH 4OH 、 等，使得各种组分元素共同 形成沉淀，并通过控制溶液浓度、PH值 等来控制形成沉淀粉体的性能。最后经 过过滤、洗涤，对沉淀物进行加热分解， 得到各种组分元素的氧化物均匀复合粉 体。氧化锌纳米粉体的制备过程如图所 示。