第十六章 纳米科技与纳米物质结构
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PPT课件
天然：
•天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿
•蜜蜂：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子， 具有“罗盘”的导航作用，并利用这种 “罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里 的图像而判明方向。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
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§6.6.5 纳米结构和纳米材料的应用
一、纳米结构的应用 1、量子磁盘与高密度磁存储 2、高密度记忆存储元件 3、高效能量转化纳米结构 (1) 高效再生锂电池： (2)太阳能电池： (3)热电转化
纳米材料——凝聚态物理 纳米材料——半导体材料 纳米材料——化学 纳米材料——复合材料 纳米材料——医学药物
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
§6.6.4 纳米材料在高科技中的地位
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法， 对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进 行了透射电子显微镜研究。
1970年，江崎与朱兆祥首先提出了半导体 超晶格的概念，张立纲和江崎等在实验中实 现了量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的 物理效应。
四、光学应用
《纳米大科学》PPT课件
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1
1 纳米世界里的大科学
纳米科学与技术简称纳米科技，是一 项新兴的科学研究，纳米科技值得一搏，
但不是每个参入者都有把握赌赢。
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2
1.1 人类对自然界的认识
人类对自然世界的认识始于宏观物体又溯源于原
子、分子等微观粒子，然而对纳米微粒却缺乏深入细
致的研究。
客观世界，主要为两个层次：一是宏观领域，二
纳米固体有一般晶体材料和非晶体材料都不具
备的优良特性，它的出现使凝聚态物理理论受到了 挑战。
纳米科技是现代科学和先进技术结合的产物，
它不仅为人类提供新颖的装置，而且在物理学、化 学、生物学、材料学、矿物学等领域中有广阔的前 景，对于基础科学、应用科学研究来说都有重要意 义。
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5
1.3 纳米科学与技术的未来
新兴的纳米科学和技术的发展，开辟了纳米物理学、 纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学研究的新领域。
纳米微粒的结构研究，将促使物理学、化学、材料科
学、矿物学工作者认识改造完客整版观ppt 世界进入一个新层次，6 将 使自然科学和技术等向更高层次发展。
1.4 纳米物质结构
纳米微粒在一定压力和温度作用下生成纳米固体，它是
尺度范围内物理、化学等特性确定。
原子是组成物质的基本单位，原子的不同方式排列使自
然界多姿多彩。
1959年，美国物理学家理查德·费曼设想，在原子和分
子水平上操纵和控制物质。完整版ppt
4
纳米科技使能够直接利用原子、分子制备出仅
含几十个到几万个原子的纳米微粒，把它作为基本 单元，适当排列成一维的量子线、二维的量子面、 三维的纳米固体。
微米科技在二十世纪七十年代以来的信息科学中占有
纳米技术与纳米材料
四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、 表面原子比例大
四大效应: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应、表面效应
纳米材料特性取决于制备方法
表面效应
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
100 80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20 30 40 50
%
小尺寸效应
全面带动纳米技术在各个领域的发展
法国：国家纳米科技中心、纳米产业基金
世界都在迎接纳米时代的到来
中国纳米技术进展
中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合 成了当时最长的纤维级碳纳米管
中国科技大学:氮化镓粉体 清华大学:氮化镓纳米棒 中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米 粉，被誉为“稻草变黄金”
速公路的护栏、路灯等表面涂
覆一层氧化钛薄膜，利用氧化 钛薄膜在光照射下产生的强氧
化能力和超亲水性，可以实现
表面自清洁
有机污垢
国家大剧院用的自清洁玻璃
H2
碳纳米管整流器
Intramolecular Nanotube Junctions
碳60
1985年在太空碳分
子实验室中，偶然发现
60个碳原子组成空心的 笼状结构的碳分子，后 来人们发现石墨碳分子 经激光、电弧等强高温
加热，或又在一定的催
化剂（铁基和镍基）的
帮助下，碳原子能形成
C60分子。
C60的合成方法
苯火焰燃烧法
1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及其 实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富烯
电弧放电法
化学气相沉积法(CVD) C60 合成
完整版)纳米技术资料
完整版)纳米技术资料纳米材料是指尺寸介于1纳米至100纳米之间的材料，其结构单元的尺寸已经接近电子的相干长度，因此其性质会因为强相干所带来的自组织而发生很大变化。
纳米材料的尺度已经接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米材料包括纳米金属材料、纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。
纳米颗粒材料是由纳米粒子组成的超微颗粒材料。
纳米粒子是指尺寸在1至100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
当宏观物体细分成超微颗粒后，其光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米测量技术和纳米应用技术等方面。
纳米材料技术主要着重于纳米功能性材料的生产和性能检测技术。
纳米加工技术包含精密加工技术和扫描探针技术。
纳米材料具有独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为。
当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。
纳米粒子表面布满了阶梯状结构，代表具有高表面能的不安定原子，这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。
纳米材料的特性纳米粉末因其表面原子处于不稳定状态，具有较高的表面能量，导致其熔点下降，并易于在低温下烧结，成为优秀的烧结促进材料。
此外，当材料的粒子尺寸小到无法区分出其磁区时，就会形成单磁区的磁性材料，因此超微粒子或薄膜制成的磁性材料具有优异的性能。
纳米材料的粒径小于光波的长度，因此与入射光产生复杂的交互作用，这使得纳米材料具有高光吸收率的特点，可用于红外线感测器材料。
纳米材料的发现1980年，德国物理学家XXX在驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，思维变得特别活跃和敏锐。
《纳米技术》课件
化学气相沉积
利用化学反应，将衬底上的材 料通过化学反应转化为固态薄
膜或结构。
纳米制造技术的应用
微电子器件制造
利用纳米制造技术可以制造出 更小、更快、更低功耗的微电
子器件。
生物医学应用
纳米制造技术可以用于药物输 送、组织工程和诊断试剂的制 备。
环境监测与治理
纳米制造技术可以用于环境监 测和治理领域，例如空气和水 的净化等。
纳米技术的研发和应用需要克服许多技术难 题，如纳米尺度下的控制和测量等。
02
01
成本问题
纳米技术的研发和应用需要大量的资金和资 源投入，成本较高。
04
03
如何应对纳米技术的挑战
加强监管
建立完善的监管体系， 对纳米技术的安全性和 伦理问题进行评估和管 理。
促进合作
加强国际合作和交流， 共同推进纳米技术的研 发和应用。
医疗领域
用于药物输送、肿瘤诊 断和治疗、生物成像等 。
环境领域
用于水处理、空气净化 、土壤修复等。
电子信息领域
用于制造高灵敏度传感 器、超高速集成电路、 高精度光学器件等。
03 纳米制造技术
纳米制造技术的定义与分类
定义
纳米制造技术是指通过控制原子、分 子等微观粒子，在纳米尺度上制造物 质和器件的工艺和技术。
利用纳米技术提高太阳能电池、燃料电池和 储能设备的效率和性能。
环境
利用纳米技术检测和治理环境污染，如水处 理和空气净化。
D
纳米技术的发展历程
1986年，扫描隧道显微镜的 发明，使科学家能够直接观 察到原子和分子的排列。
1989年，碳纳米管的发现， 为纳米材料的研究和应用开 辟了新的领域。
纳米材料和纳米结构
纳米材料绪论纳米和纳米科技的概念什么是纳米？纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米。
纳米结构？纳米结构：所谓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一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。
纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。
纳米技术？在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。
纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。
什么是纳米科技？创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料；设计、制备各种纳米器件和装置；探测分析纳米材料,器件的结构,性质及其相互关系和机理。
纳米科技概念的提出与发展人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而这较小的机器可以制作更小的机器, 这样一步步达到分子线度, 即逐级地缩小生产装置, 以至最后直接按意愿排列原子,制造产品.那时, 化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。
当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为直到1959年才有人想到直接用原子, 分子来制造机器而感到惊讶。
纳米材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-9～10-7m)或由它们作为基本单元构成的材料.绪论(ⅰ) 零维指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；(ⅱ) 一维指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；(ⅲ) 二维指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜；超晶格等。
纳米材料和技术领域发展的历史第一阶段：纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜和块体；第二阶段：纳米复合材料；第三阶段：纳米组装体系。
二、纳米材料的奇异性能纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。
由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。
纳米ppt课件
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纳米科学技术
(3) 纳米生物学—— 在纳米尺度上研究生命问题
• 了解生物大分子的精细结构及其 与功能的关系。
• 获取分析细胞的生命信息。 • 研制纳米“机器人”。
其他领域中的应用
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纳米科学技术 1.经典理论
EF1
费米能级
三、STM的工作原理 功函数
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纳米科学技术 2.一种新型的纳米材料——碳纳米管
二、纳米材料
碳的三种形态：C60、金刚石、石墨
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纳米科学技术 2.一种新型的纳米234567
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纳米科学技术 碳纳米管的吸附性质：
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纳米科学技术 STM 的工作方式
四、STM的仪器设备
恒流工作模式
恒高工作模式
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纳米科学技术
四、STM的仪器设备
主要技术问题 探针制作
探针
1nm 样品表面
要想达到原子级的分辨率,探针尖端最好只有 一个原子.
探针不与样品表面接触
纳米科学技术
一、前 言
美国著名物理学家费曼 1959年
长久以来，人们一直有一个愿望：即企盼着有一天能够按照人们的意志去安排一 个一个 的原子和分子，以构成人们所需的材料与器件。
今天，这个愿望 已有可能变成现实……
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纳米材料和纳米结构23页PPT
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
END
纳米材料与技术--纳米结构单元
矢量即为手性矢量。
沿与该矢量垂直方向为轴向，将原点与矢量端点重合，即得(n,m)型碳纳米管。
〔3〕特性i) 电子特性：n, m值，即直径和手性角θ值对纳米管的性能影响很大。
碳纳米管的电特性随分子结构改变而发生明显变化〔量子限域，只能沿着轴向运动〕，没有其他任何材料在分子结构不同时具有如此不同的特性。
∣n - m∣= 3qq为整数时, (n,m)纳米管为金属性的(无能隙)。
➢单臂纳米管均为金属性(n = m)➢手性和锯齿纳米管中局部为金属性的〔以上两种情况占小直径纳米管的1/3〕➢手性和锯齿纳米管中局部为半导体〔有限带隙〕：纳米管直径变大，带隙变小→大直径时均为金属性〔锯齿形碳纳米管的能隙反比于管半径的平方〕共轴的金属-半导体、半导体-金属纳米管对是稳定的⇒全碳电子元件〔微型化、高性能、低能耗〕ii) 力学特性：单壁纳米管的抗张强度比钢高100倍，1/6。
其拉力强度是大多数合金的25倍→复合材料的增强剂iii〕化学等方面纳米管作为模板→纳米丝✍贮氢、电池等用途碳纳米管的应用➢碳纳米管阵列体系→场发射器件➢单壁碳纳米管的压电系数高→人工肌肉➢碳纳米管+ 电极→纳米镊子(nanotweezer)➢半导性单壁碳纳米管→化学传感器➢碳纳米管线路→器件微型化➢碳纳米管的弹性→纳米秤(飞克级的病毒)〔4〕制备目标：①连续批量生产；②结构分布均匀且可控；③本钱低，适宜商业生产；④纯度高、易分散。
关键因素：①碳源；②催化剂及载体；③制备条件。
✍催化剂→单壁纳米管✍催化剂、温度等→纳米管直径的分布➢石墨棒直流电弧放电法〔Arc Discharge)➢碳氢化合物催化热分解法，又称CVD法➢激光蒸发气相沉积法➢火焰法第五种形态固体碳〔碳纳米泡沫〕近几十年来，人们对新奇的碳结构的研究有着很大兴趣，比方巴基球结构和纳米管结构。
1997年，澳大利亚的研究者又发现了另外一种碳的形态：蛛网状、与分形相似的合成物，他们称之为纳米泡沫。
纳米材料和纳米结构
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。
纳米材料和纳米结构
2. X射线衍射线线宽法（谢乐公式）
d 0 . 89 / B cos
d-晶粒粒度， λ -入射X射线波长， B-晶粒度细化一引起的 宽化度， θ -衍射角。颗粒为单晶时，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。 3.比表面法 通过测定单位重量的比表面积Sw, 可由下式计算纳米粒子 直径（设颗粒呈球形）
B d 2
1/ 2
式中，B为常数，△ω 为纳米晶拉曼谱中某一晶峰的峰位相对 于同样材料的常规晶粒的对应晶峰的峰位的偏移量。 6.光子相关谱法 悬浮于液体中的颗粒不停地作布朗运动，其运动的强度 反映了颗粒的大小，相同条件下，大颗粒的布朗运动缓慢， 而小颗粒的布朗运动剧烈；当光束照射到颗粒上时，产生散 射光，散射光的强度随时间而波动，检测器记录这一系列随 时间而波动的散射光强度，并传送至相关仪器，得到一个与 时间相关的散射光的曲线，分析这个相关曲线就可以得到相 关的粒度信息。
溶胶-凝胶法，电沉 惰 性 气 体 蒸 发 法 ， 积法，还原法 高速粒子沉积法， 激光溅射法， 纳米晶体和纳米块 非晶晶化法 球磨法，原位加压 法，固相猝火法 无机-有机杂化纳米 原 位 聚 合 法 ， 差 层 共混法 材料 法 纳米高分子材料 乳液法，超微乳法， 然高分子法 ，液 天 悬浮法 中干燥法 纳米微囊 高分子包覆法，乳 超声分散法，注入 液法 法，薄膜分散法， 冷冻干燥法，逆向 蒸发法 纳米组装材料 纳米结构自组装合 成，模板法合成， 溶胶-凝胶法，化学 气相沉积法 纳米膜材料
激光化学反应法 辐射化学合成法
高分子包覆-超声分 散法，注入-超声分 散法 电化学沉积
五、纳米微粒尺寸的评估
颗粒大小的主要参数是颗粒的粒度及其分布特性。颗粒的 大小通常用粒径和粒度来表征。粒径是以单一颗粒为对象表 示颗粒的大小，而粒度是以颗粒群为对象表示所有颗粒大小 的总体概念。对于颗粒群来说，重要的粒度特征是其粒度的 分布和平均粒度。粒径评估的方法很多，主要有透射电镜观 察法，X射线衍射线线宽法（谢乐公式），比表面法， X射线 小角散射法，拉曼散射法，光子相关谱法等。 1.透射电镜观察法 这种方法可观察纳米粒子的平均直径或粒径的分布。缺 点是：由于纳米粒子很难分散，故这种方法测得的颗粒粒径 往往是团聚体的粒径。另一个缺点是缺乏统计性，观察到的 粒子都是局部区域的，不具有代表性。
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．
物理工程纳米材料与纳米结构
印度
其
要像抓软件产业那样，
他
快速发展纳米技术。
国
家
行
韩国
动
2001年成为对纳米技术投
入增长最快的国家。
物理工程纳米材料和纳米结构
第一次纳米研究热潮的到来（4）
中国：决战纳米时代
2000年7月中央政治局全体委员听取中科院有关纳米技 术的报告，提出决战纳米时代的指示
国内研究已经具备一定的基础，建立一定的国际影响 宣布成立国家纳米科技中心 目标：建立中国自己的纳米科技创新体系
表面原子百分数 86 40 20
2
比表面积(m2/g) 450 180 90
9
尺寸小，表面大，活性高。 物理工程纳米材料和纳米结构
纳米材料的基本物理特性（4）
4. 宏观量子隧道效应：
作为基本粒子之一的电子既具有粒子性，又具有波动性，即微观粒子 的波粒二象性。量子隧道效应是量子力学体系的基本特性。
物理工程纳米材料和纳米结构
第三部分 纳米材料的科学内涵
物理工程纳米材料和纳米结构
人类认识自然的尺度范畴
宇观尺度：距地球最远星系约 230 亿光年 宏观尺度：肉眼可见范围，约 10-4 m 以上 介观尺度：包括微米、亚微米、纳米和团簇 原子原子核尺度：10-15 m --- 10-10 m 基本粒子尺度：10-19 m，包括夸克、轻子等
物理工程纳米材料和纳米结构
关于物理学：一个错误但曾经流行的观念
目前有一个广为流行但是非常错误的观念：那 就是认为物理学作为一个有基础科学意义和探索 价值的研究领域已经大为过时。
然而真正的事实是，在现代物理学领域，亟待 我们去忘我探索的科学规律和我们已经探知的科 学规律一样多。
---- John Maddox，《Nature》杂志前主编
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第十六章纳米科技与纳米物质结构新兴的纳米科学技术的发展 , 开辟了纳米微粒矿物学、纳米材料科学研究的新领域。
纳米微粒晶体结构、晶体化学研究促使矿物学、材料科学工作者认识改造客观世界进入一个新层次 , 将使矿物学、材料科学等向更高层次发展。
1. 新兴的纳米科学技术1.1 纳米科学技术人类对自然界的认识始于宏观物体 , 又溯源于微观原子、分子、粒子 , 然而对纳米微粒却缺乏深入细致的研究。
原子是组成自然界的基本单位 , 原子的不同排列方式使自然界多姿多彩。
1959年 , 诺贝尔奖获得者理查德·费曼设想在原子、分子水平上操纵和控制物质。
纳米科学技术则使人们能够直接利用原子、分子进行生产 , 制备出仅包含几十个到几万个原子的纳米微粒 , 并把它作为基本构成单元 , 适当排列成一维的量子线、二维的量子面、三维的纳米固体。
纳米固体有一般晶体材料和非晶体材料都不具备的优良特性 , 它的出现使凝聚态物理理论受到了挑战。
纳米科学技术是现代科学和先进技术结合的产物 , 它不仅为人类提供新颖的装置 , 而且在物理学、化学、生物学、材料科学、矿物学、地质学等领域中有广阔的前景 , 对于基础科学、应用科学研究来说都有重要意义。
钱学森 (1990) 指出 :" 纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科学技术发展的重点 , 会是一次技术革命 , 从而将引起 21 世纪又一次产业革命。
"第一届国际纳米科学技术会议于 1990 年 7 月在美国巴尔的摩召开 , 《纳米技术》与《纳米生物学》两种专业性国际刊物已分别于 1990 年 7 月和 1991 年 3 月正式出版。
1990 年 3 月中国科学院有关学部在合肥召开了首届全国纳米固体材料研讨会 , 制定了我国发展纳米材料的规划 , 揭开了我国纳米固体研究的新篇章。
1.2 纳米固体材料的发展1984 年 , 德国物理学家格莱特 (Gleiter H副教橙等在实验室里制造出一种新型的固体材料 , 它是由纳米级的微粒压制烧结而成的。
这种材料具有新型的固态结构 , 基本性质与晶态或非晶态的同种材料大相径庭 , 并将此材料称为纳米固体。
1987 年 , 美国西格尔 (Siegel R W) 成功制造出纳米陶瓷材料。
1988 年 , 俄罗斯科学家成功地制造出千克级的纳米固体。
1990 年 , 美国利用离子溅射技术 , 成功地在多晶 Al 表面上喷涂一层 12nm 厚的纳米晶体 , 首次制成性能优良的纳米晶体与传统多晶体复合材料。
格莱特对 6nm 的纯铁纳米固体的界面结构进行了系统研究 , 提出了纳米晶体界面是" 类气态 "(gas like) 结构的观点。
他认为 , 纳米固体中的这种界面组元不同于长程有序的晶态固体 , 也不同于短程有序的非晶态固体 , 是处于一种无序程度更高的类似于气态的物质结构 , 它是固体物质的一种新的状态 , 构成了与所有已知的固态结构完全不同的特点。
哥廷根大学的哈森 (Haasen P) 认为纳米态氮化硅不同于α-Si3N4和β- Si3N4, 也与非晶氮化硅有区别 , 在占20%~30% 的庞大界面区域 , 包含很多配位数不全的不饱和键和悬键 , 键长基本一样 , 但排列十分混乱 , 空隙较多 , 界面的键结构可能存在与氮化硅颗粒内短程有序不同的短程结构 , 界面中低动量电子数量多。
中国科学院在 1986 年开始研究纳米微粒 ,1987 年固体物理研究所开始研究纳米固体。
1989 年等离子物理研究所制备出纳米微粒 , 并在研制大块纳米固体和纳米薄膜材料方面取得重要进展。
光学机械研究所制成Si3N4超微粉 , 产量已达千克级 , 与硅酸盐研究所合作制成纳米陶瓷 , 性能大为改善。
1984年Shechtrman D、1985年郭可信发现准晶以来，大量研究表明 ,准晶体在许多方面具有纳米结构特征。
1986 年 , 彭志忠提出了准晶微粒分数维结构模型。
我们在大量研究中证实 5 、 8 、 10 、 12 次对称轴的准晶结构模型具有纳米微粒多重分数维特征主体结构具有有规自相似性 , 填充结构则是有规或无规自相似性。
理想准品结构可以看成是纳米微粒多重分数维排列的结果。
运用具有原子分辨率的高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 、扫描隧道显微镜 (STM) 和原子力显微镜 (AFM) 等手段可以直观地给出纳米微粒矿物、纳米矿物固体、纳米微粒矿物结构的图像 , 而且可以进行地质学科中纳米特征研究。
对它的研究是人类认识、改造自然一个新层次 , 一些与传统结晶矿物学、岩石学、矿床学等地质学科不同的新概念、新理论将从这里诞生 , 新的科学与技术领域也在这里孕育。
在面向 21 世纪的地质科学中 , 纳米微粒矿物学将充当重要角色。
1.3 纳米固体的结构特点通常的固体可分为晶态和非晶态。
晶态固体的原子在很大范围内保持有序排列 , 具有长程有序结构。
非晶态固体的原子排列方式仅在几个原子距离的近程范围内才具有规则排列 , 具有短程有序或近程有序结构。
纳米微粒是自然界物质结构的一个层次 , 它的尺度大于原子簇 , 一般在1~100nm之间。
纳米微粒属于原子簇与宏观物体交界的过渡区域。
总观这种系统 , 既非典型的微观亦非典型的宏观系统 , 它具有一系列新异的物理、化学特性。
纳米固体物质包括两部分 : ①具有几个纳米直径的微粒 , 称为 " 颗粒组元 ", 它由颗粒中的所有原子构成 ; ②这些颗粒之间的分界面 , 称为 " 界面组元 " 。
晶体物质的原子保持长程有序结构排列 , 而非晶态物质原子仅具有短程有序结构排列。
纳米微粒纳米固体中 , 颗粒组元是长程有序的晶体结构或短程有序的非晶体结构 , 界面组元是既没有长程有序也没有短程有序的无序结构。
纳米微粒具有许多既不同于微观粒子 , 又不同于宏观物体的新异的物理化学特性。
纳米固体颗粒极小 , 界面组元所占的比重显著增大。
例如 , 纳米微粒直径为 5nm 时 , 界面组元的体积将占全部体积的 50% 左右。
纳米固体中一半左右的原子是分布在界面内 , 这样大量的纳米微粒又使得纳米固体每立方厘米体积内就存在有 1019 个不同的界面结构 , 纳米固体中的界面组元就是所有这些界面结构的组合 , 且所有界面原子间距又各不一样。
所以 , 这些界面的平均结果将导致各种可能的原子间距取值在界面组元均匀分布。
界面组元内的原子排列无序度、混乱度高于传统晶态和非晶态。
由于纳米微粒的物相不同 , 纳米固体可分为纳米晶体和纳米非晶体。
纳米微粒具有长程有序的晶态结构或短程有序的非晶态结构 , 而微粒间的分界面是既没有长程有序也没有短程有序的无序结构。
这种结构特点是有序部分尺寸极小 , 一般为5~15nm. 含有的分子很少 ( 约几百个分子 ), 界面部分占总体积的百分比很大 ( 约 50%), 缺陷结构极多 ( 大于70%)。
1.4 纳米固体的物理化学特性纳米固体具有重要的物理化学特性 , 它决定了纳米科学技术具有划时代意义。
这些特性受如下四个方顶影响。
1.4.1 小尺寸效应当纳米微粒的尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长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 , 周期性的边界条件将被破坏 , 声、光、电、磁、热力学等特性均会出现新的小尺寸效应。
1.4.2 表面与界面效应纳米微粒尺寸小、表面大 , 位于表面的原子占相当大的比例 , 如表 16.1 所列。
如粒径为 4nm 的微粒 , 包含 4000 个原子 , 表面原子占 40%; 粒径为 1nm 的微粒 , 包含 30 个原子 , 表面原子占 99%。
随着粒径的减小 , 表面原子所占比例数迅速增大。
例如 , 粒径为 10nm 时 , 比表面积为90m2/ g; 粒径为 5nm 时 , 比表面积为180m2/g, 粒径下降到 2nm, 比表面积增至450m2/g。
这样高比例的比表面积使处于表面的原子数越来越多 , 增大了纳米粒子的活性。
如金属的纳米粒子在大气中会燃烧 , 无机材料的纳米粒子在大气中会吸附气体并与之进行反应。
这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化 , 同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。
上述情况被称之为 " 表面与界面效应 " 。
1.4.3 量子尺寸效应所谓量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时 , 费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。
纳米微粒中所含原子数有限 , 这就导致能级间距发生分裂。
而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时 , 费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。
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 , 就导致纳米微粒磁、光、声、热、电及超导电性与宏观特性有显著不同 , 称为" 量子尺寸效应 " 。
1.4.4 宏观量子隧道效应微观粒子真有贯穿势垒的能力称为隧道效应。
近年来 , 发现一些宏观量 , 如微粒的磁化强度、量子尺寸效应通量等具有隧道效应 , 称为 " 宏观量子隧道效应 " 。
宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要意义。
小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应是纳米微射与纳米固体的基本特性 , 它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质。
1.5 纳米科学技术的应用前景纳米科学技术的应用前景广阔 , 如在以下领域得到应用 , 效益是可观的。
1.5.1 高强度与高韧性颗粒为 6nm 的纳米固体铁的断裂应力 , 比常规铁材料高近 12 倍 , 硬度高2~3 个数量级。
室温下合成的纳米TiO2陶瓷晶体能被弯曲 , 其塑性形变高达 100%, 而且具有与烧结陶瓷相同的韧性。
1.5.2 高比热容和热膨胀纳米微粒晶体铜 Cu(8nm) 在110~293K之间的平均热膨胀系数比单晶铜增加了一倍。
纳米微粒晶体钯 Pd(6nm) 的比热容比其多晶态增大29%(15K)~53%(300K), 而非晶态与晶态 Pd 相差仅 4%。
1.5.3 高导电率和扩散率纳米固体中存在的浓度极大且具有高度无序结构界面 , 使得内部原子输送出现异常现象 , 导致自扩散系数的剧烈增大。
纳米固体铜在 353K 温度下的自扩散系数比大晶粒铜块的自扩散系数大14~16 个数量级。
高的扩散速度使纳米固体反应能在室温和低温下进行。
纳米固体中的量子隧道效应使电子输运表现出异常现象 , 一些合金的电导率可下降 100 倍以上。
纳米导体的电导与温度关系也出现反常现象 , 一般电阻随温度变化很小 , 但在一定温度下电阻出现突然下降现象。