第二章 零维纳米材料
GaAs简单介绍
纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的三个方向均 在纳米尺度，如纳米微粒，原子团簇等。 一维纳米材料：类似于现状结构，立体空间的三个方向有 两个方向在纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等。
二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的三个方向有 一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、纳米多层膜、超晶格 薄膜等。
GaAs简单介绍：
砷化镓(Gallium Arsenide）:简称GaAs，是镓和砷两种元素 所合成的化合物，也是重要的要的IIIA族、VA族化合物半 导体材料，用来制作微波集成电路、红外线二极管、半导 体激光器和太阳电池等原件。 优点：GaAs与硅不同，它是直接带隙材料，具有电子饱和 漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、 低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集 成方面占有独特的优势。
超晶格：
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几 十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性 的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细 复合材料。
量子阱、量子线、量子点图示
量子线、量子点、量子阱概念介绍
量子线：在凝聚态物理中,量子线指导电性质受 到量子效应影响的导线.由于传导电子在切向上 受到量子束缚,切向能量呈现量子化 量子点：是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳 米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子 点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观 恰似一极小的点状物 量子阱：量子阱（QW）是指由2种不同的半导体 材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的 电子或空穴的势阱。
2D
1D
0D
零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
3.1纳米材料_一维纳米材料之碳纳米管
THE SECOND GENERATION
More advanced nanotube transistors have individual gates on top of the device, separated from the nanotube channel by a thin layer of silicon dioxide. Metal electrodes form the source and drain.
2013/10/23 18
电弧放电法SWNT
电弧放电法制备SWNT的SEM图
2013/10/23 19
2.激光烧蚀法 (Laser ablation)
2013/10/23
20
合成过程
将石墨靶材或石墨靶材混合金属(钴、镍)，放置 于石英管中央以加热炉加热至高温(如1200 °C)，并 通入惰性气体(如He或Ar)。以一脉冲激光照射石墨靶。 石墨靶在激光照射下被气化出来，这些气态碳和催化 剂粒子被气流从高温区带向低温区，结果在出口附近 生成一层黑色膜状堆积物，纯化可得碳纳米管。
2013/10/23
41
Nanotubes for Power Transmission Line Materials
In April 2005 the US government's National Aeronautics and Space Administration (NASA) awarded a four-year, US$11 million contract to Rice Universitys Carbon Nanotechnology Laboratory in Houston, Texas. The project aims to produce a prototype wire made entirely of carbon nanotubes, which could conduct electricity up to ten times more efficiently than copper.
纳米材料基本概念和分类
纳米器件
“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺 寸上将人类创造的功能产品微型化；
“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据 人们的意志进行设计和组装，从而构筑成具有特定 功能的产品。
目前，在纳米化工厂、生物传感器、生物分子计算 机、纳米分子马达等方面，都做了重要的尝试。
纳米材料定义
荷叶自清洁效应
水滴落在荷叶上，会变成了一个个自由滚动的水珠，而 且，水珠在滚动中能带走和叶表面尘土。荷叶的基本化 学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物 ，有丰富的羟基（-OH）、（-NH）等极性基团，在自 然环境中很容易吸附水分或污渍。而荷叶叶面都具有极 强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠 的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面 始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”
1兆米（megametre）＝1000千米（kilometre） 1千米（kilometre）＝10百米（hectometre）
纳米材料定义
1百米（hectometre）＝10十米（decametre） 十米（decametre）＝100分米（decimetre） 1分米（decimetre）＝10厘米（centimetre） 1厘米（centimetre）＝10毫米（miillimetre） 1毫米（miillimetre）＝1000微米（micrometre） 1微米（micrometre）＝1000纳米（nanometre） 1纳米（nanometre）＝1000皮米（picometre） 1皮米（picometre）＝1000飞米（femtometre） 1飞米（femtometre）＝1000阿米（attometre）
的块体，如纳米陶瓷材料，如介孔材料等。
0维纳米材料
0维纳米材料0维纳米材料是指在一维、二维和三维纳米材料的基础上，将纳米材料的尺寸进一步缩小至纳米级别的新型材料。
与传统的一维、二维和三维纳米材料相比，0维纳米材料具有更小的尺寸和更高的比表面积，因此在材料的物理、化学和生物学性质上表现出独特的特点。
本文将从0维纳米材料的定义、制备方法、性质和应用等方面进行介绍。
首先，0维纳米材料的定义。
0维纳米材料是指在三个空间维度上尺寸均在纳米级别的材料，也就是说，其长度、宽度和高度均小于100纳米。
由于其尺寸极小，因此0维纳米材料通常具有量子尺寸效应，表现出与宏观材料完全不同的物理和化学性质。
其次，0维纳米材料的制备方法。
目前，制备0维纳米材料的方法主要包括化学合成法、物理气相法、生物制备法等。
化学合成法是通过化学反应在溶液中合成纳米材料，物理气相法是利用物理气相沉积技术在高温高压条件下制备纳米材料，生物制备法则是利用生物体或生物体提取物作为模板合成纳米材料。
这些方法各有优缺点，可以根据具体需求选择合适的方法。
接下来，是0维纳米材料的性质。
由于其极小的尺寸，0维纳米材料通常具有较大的比表面积和量子尺寸效应。
这使得0维纳米材料在光电、磁电、热电、力学等性质上表现出与传统材料完全不同的特点。
例如，量子点是一种典型的0维纳米材料，具有较大的光学吸收截面和较高的荧光量子效率，因此在光电器件、生物成像等领域有着广泛的应用前景。
最后，是0维纳米材料的应用。
由于其独特的性质，0维纳米材料在光电器件、催化剂、生物医学、传感器等领域具有广泛的应用前景。
例如，量子点被广泛应用于LED显示屏、生物成像、太阳能电池等领域，纳米金刚石颗粒被用作高效的催化剂，纳米药物载体被用于肿瘤治疗等。
综上所述，0维纳米材料是一类具有独特物理、化学和生物学性质的纳米材料，其制备方法多样，性质独特，应用广泛。
随着纳米技术的不断发展，相信0维纳米材料在未来会有更广阔的应用前景。
《零维纳米材料》课件
零维纳米材料的研究前景
1 新材料的发现
纳米材料为开发新型材料 提供了巨大机遇。
2 跨学科合作
纳米领域需要物理学、化 、生物学等多学科的交 叉融合。
3 可持续发展
纳米技术有望推动能源、 环境和健康领域的可持续 发展。
总结回顾
通过本课件，我们对零维纳米材料的定义、种类、制备方法、应用和研究前景有了系统的了解。希望您对纳米 领域有了更深入的认识和兴趣，愿您继续探索科学的精彩世界。
《零维纳米材料》PPT课 件
欢迎来到《零维纳米材料》PPT课件，本课程将带您探索纳米领域的奇妙世界。 从定义到制备方法，从应用到研究前景，让我们一起深入了解零维纳米材料。
什么是零维纳米材料？
零维纳米材料是指那些在所有维度中尺寸都控制在纳米级别的材料。它们具 有独特的物理和化学特性，引起了科学家们的广泛关注。
2
气相法
通过控制气相反应的条件，将气体中的原子或分子聚集成纳米尺寸的物质。
3
物理法
利用物理方法如球磨、溅射等来制备纳米颗粒或纳米结构。
零维纳米材料的应用
电子学
纳米材料的特殊电学性质被应用 于高性能电子器件的制备。
医学
纳米药物递送系统可以实现精准 治疗，提高药物疗效。
能源
纳米材料在太阳能电池、储能材 料等领域展现出巨大潜力。
零维纳米材料的种类
量子点
具有尺寸相关的光学性质，广泛应用于显示技术和生物成像领域。
纳米线
具有高比表面积和优异的导电性能，用于传感器、能量储存等领域。
纳米颗粒
具有独特的化学反应性，用于催化剂、药物递送和生物医学应用等。
零维纳米材料的制备方法
1
溶液法
通过溶剂中超饱和度和反应条件的调控，控制纳米颗粒的生成。
零维纳米材料
零维纳米材料
零维纳米材料是一种新型材料，其特殊的结构和性质使其在材料科学和纳米技
术领域备受关注。
零维纳米材料是指在三个维度上均小于100纳米的纳米材料，通常具有独特的电子、光学、磁性和力学性质，因此被广泛应用于电子器件、传感器、催化剂等领域。
首先，零维纳米材料的特殊结构赋予其独特的性能。
由于其尺寸在纳米级别，
其电子在量子尺寸效应的影响下表现出不同于宏观材料的行为。
例如，零维纳米材料的能带结构和能级分布会发生改变，从而影响其电子传输性能。
此外，由于零维纳米材料的表面积大大增加，使得其在催化剂和传感器等领域具有更高的活性和灵敏度。
其次，零维纳米材料在电子器件方面具有巨大的潜力。
由于其尺寸小、电子迁
移率高和能带结构可调节等特点，零维纳米材料被广泛应用于新型纳米电子器件的制备中。
例如，零维纳米材料可以作为场效应晶体管的通道材料，具有优异的电子传输性能；此外，零维纳米材料还可以作为新型存储器件的介质层，实现高密度、低能耗的数据存储。
此外，零维纳米材料在光学和光电器件领域也有重要应用。
由于其尺寸接近光
波长的数量级，零维纳米材料表现出与光子的强耦合效应，可以用于制备纳米激光器、纳米光学器件等。
同时，零维纳米材料还具有优异的光电转换性能，可以应用于太阳能电池、光电探测器等领域。
总的来说，零维纳米材料由于其独特的结构和性能，在电子、光学、催化等领
域具有广阔的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，相信零维纳米材料将会在未来的科技领域发挥越来越重要的作用。
纳米材料与纳米技术知到章节答案智慧树2023年鲁东大学
纳米材料与纳米技术知到章节测试答案智慧树2023年最新鲁东大学第一章测试1.壁虎可以头朝下在垂直墙面自由爬行是因为（）的作用。
参考答案:范德华力2.DNA是由两条多脱氧核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕，构成双螺旋结构，DNA的直径约为（）参考答案:2 nm3.1999年巴西坎皮纳斯大学的达尼埃尔·乌加尔特教授和美国佐治亚技术研究中心的沃特·希尔教授发明了世界上最小的“秤”，它是由（）材料制造的。
参考答案:碳纳米管4.蓝闪蝶的翅膀呈现出耀眼的蓝色是因为其鳞片具有（）参考答案:复杂的纳米结构5.荷叶的自清洁效应是因为荷叶表面具有（）参考答案:疏水性6.1990年，IBM公司用扫描隧道显微镜（STM)S实现了“让原子排队”，把35个（）原子排成“IBM”。
参考答案:氙7.原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）也称（），是由IBM苏黎士研究实验室的Gerd Binning、Calvin Quate和Christoph Gerber于1986年发明的。
参考答案:扫描力显微镜8.“C60分子”包含有( )个五边形和（）个六边形。
参考答案:12；209.二维纳米材料是指两个维度方向上为纳米尺寸的材料。
参考答案:错10.纳米微粒属于零维纳米材料，其形态是球形。
参考答案:错第二章测试1.球形纳米颗粒的比表面积是指（）参考答案:表面积/体积2.纳米材料相比常规材料的表面积增加，表面能（）参考答案:增加3.在制造变压器的铁芯或电磁铁时，需要选择矫顽力（）材料？以使电流切断后尽快消失磁性。
参考答案:小4.隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的（）能力，以欺骗雷达，达到隐形目的。
参考答案:吸收5.电源转换器中的磁性材料使用的是（）参考答案:软磁材料6.常温常压下，当纳米颗粒粒径低于临界尺寸时，量子尺寸效应造成的能级离散性，所以材料的电阻（）参考答案:升高7.光催化是当半导体氧化物纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子-空穴对，电子具有（ )，空穴具有( )。
第二章 零维纳米结构
2013-6-22
10
C60分子是由20个六边形环和12个五边形环组成的球形32面
体，其中五边形环只与六边形环相邻，而不相互连接；32面体共
有60个顶角，每个顶角由一个碳原子占据。C60的直径为0.71 nm。
2.2 人造原子
人造原子(Artificial Atoms)又称为量子点(Quanum Dop)， 是20世纪90年代提出来的一个新概念。所谓人造原子是由一定 数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于100 nm。 人造原子和真正原子有许多相似之处： 首先，人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的。电子在人
2013-6-22 3
2.1 原子团簇
一. 定义
原子团簇，简称团簇， 是由几个乃至上千个原子、分子或 离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体(粒径小于或
等于l nm)。它介于单个原子与固体之间，其物理和化学性质随
着所含的原子数目不同而变化。如Fen，CunSm，CnHm(n和m都 是整数)和碳簇(富勒烯C60，C70等)等。 原子团簇是在20世纪80年代才出现的，是多学科的交叉。 原子团簇不同于有特定大小和形状的分子，也不同于以弱分子 间作用力结合起来的分子团簇，除了惰性气体外，它们都是以 化学键紧密结合的聚集体。
短时间内，经处理的产品粒径
可达1μ m。
A为空心转轴，与C盘相连，向一个方 向旋转，B盘向另一方向旋转。分散相、 分散介质和稳定剂从空心轴A处加入， 从C盘与B盘的狭缝中飞出，用两盘之 间的切应力将固体粉碎. 2013-6-22 24
f．纳米气流粉碎气流磨
原理：利用高速气流(300—500m/s) 或热蒸气(300—450℃)的能量使粒 子相互产生冲击、碰撞、摩擦而被 较快粉碎。
零维纳米材料
零维纳米材料
零维纳米材料是指在空间维度上为零维的纳米结构，也称为零维纳米粒子或纳米颗粒。
它们通常是由原子或分子构成的微观颗粒，具有特殊的物理和化学性质。
以下是几种常见的零维纳米材料：
1.量子点：量子点是一种具有三维尺寸范围，但在空间上是零维的纳米结构。
它们通常由几百到几千个原子组成，具有量子尺寸效应，能够通过控制其尺寸和组成来调节其光学、电学和磁学性质。
2.金属纳米颗粒：金属纳米颗粒是由金属原子构成的微小颗粒，具有良好的表面等离子共振效应和局域化表面等离子体共振效应，可以应用于催化、生物医学、光学传感等领域。
3.纳米荧光颗粒：纳米荧光颗粒是一种具有荧光特性的零维纳米结构，通常由半导体材料构成。
它们的荧光性质可以通过调节其尺寸、形状和表面修饰来调控，用于生物成像、荧光标记等应用。
4.纳米粒子：纳米粒子是一种广泛存在的零维纳米结构，通常由某种化合物或材料构成，如氧化物、硫化物、碳纳米粒子等。
它们具有特殊的光学、电学和磁学性质，在催化、传感、生物医学等领域有着重要应用。
5.夸克-胶子凝聚物：在高能物理学领域，夸克-胶子凝聚物被认为是零维的基本粒子结构，由夸克和胶子组成，具有特殊的强相互作用性质，是研究强子物理和量子色动力学的重要对象。
这些零维纳米材料具有独特的物理、化学和生物学性质，对于纳米科技的发展和应用具有重要意义。
通过精确控制其尺寸、形状、表面性质等参数，可以实现对其性质和功能的调控，拓展其在材料科学、纳米生物学、纳米医学等领域的应用。
纳米材料基本概念与性质
纳米薄膜与纳米涂层
这种薄膜具有纳米结构的特殊性质，目前可 以分为两类： （1）含有纳米颗粒和原子团簇的薄膜—基质 薄膜； （2）纳米尺度厚度的薄膜，其厚度接近电子 自由程。 纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 用它制作的集成器件具有惊人的信息处理能力；
纳米固体材料
纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核 中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。 简单的说，具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。 纳米固体材料（nanostructured materials）的主要特征是具有巨 大的颗粒间界面，如纳米颗粒所构 成的固体每立方厘米将含1019个晶 界，原子的扩散系数要比大块材料 高1014～1016倍，从而使得纳米 材料具有高韧性。
原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子 团簇、多元原子团簇和原子簇化合物．
一元原子团簇包括金属团簇 ( 加 Nan ， Nin
等)和非金属团簇．非金属团簇可分为碳 簇(如C60,C70等)和非碳族(如B，P，S，Si 簇等)． 二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。 多元原子团簇有Vn(C6H6)m等． 原子簇化合物是原子团簇与其他分子以 配位化学键结合形成的化合物
原子团簇
原子团簇是指几个或几百个原子的聚集体（直 径小于1 nm）。它是介于单个原子与固态之间 的原子集合体。 原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未 形成规整的晶体
绝大多数原子团簇的结构不清楚，已知有线状、 层状、管状、洋葱状、球状和骨架状等。
当前能大量制备并分离的团簇是 C60(富勒烯) (富勒烯)
纳米颗粒 纳米颗粒是指颗粒尺度为纳米量级的超微 颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微 粉，一般在1—100 nm之间。只能用高倍电子 显微镜能观察到，所以有人称用电子显微镜能 观察到的微粒为纳米颗粒。
零维纳米材料
零维纳米材料
零维纳米材料是一种具有特殊结构和性能的纳米材料，其在纳米科技领域具有重要的应用前景。
零维纳米材料是指在三个维度上都非常小的材料，通常是以纳米尺度制备的微粒或颗粒。
这些材料通常具有特殊的电子、光学、磁学等性质，因此在电子器件、传感器、催化剂等领域具有广泛的应用。
首先，零维纳米材料的制备方法多样，包括溶剂热法、溶胶凝胶法、物理气相沉积法等。
这些方法可以制备出不同形貌和结构的零维纳米材料，如纳米颗粒、纳米晶、纳米管等。
这些不同形貌的纳米材料具有不同的性能和应用特点，可以满足不同领域的需求。
其次，零维纳米材料在电子器件领域具有重要应用。
由于其特殊的电子结构和性能，零维纳米材料可以用于制备纳米晶管、纳米颗粒薄膜等器件，这些器件在光电器件、传感器、存储器件等方面具有重要应用价值。
例如，纳米颗粒薄膜可以用于制备高性能的柔性电子器件，具有重要的应用前景。
此外，零维纳米材料还在催化剂领域具有重要应用。
由于其高比表面积和丰富的表面活性位点，零维纳米材料可以用于制备高效的催化剂，如纳米颗粒催化剂、纳米管催化剂等。
这些催化剂在化工、环保、能源等领域具有重要应用，可以提高反应速率、降低能耗、减少污染物排放。
总之，零维纳米材料具有特殊的结构和性能，在电子器件、传感器、催化剂等领域具有重要应用前景。
随着纳米技术的不断发展，相信零维纳米材料将会在更多领域展现出其重要的应用价值。
纳米材料的结构与性质
2.1 纳米材料的分类及特性 2.2 纳米微粒的物理特性 2.3 纳米碳材料
2.1 纳米材料的分类及特性
纳米材料：三维空间中至少有一维处于1～100nm尺度
范围内或由纳米基本单元构成的材料。
一、纳米材料的分类 按结构(维度）分为4类： （1）零维纳米材料：空间三个维度上尺寸均为纳米
传统非晶氮化硅在1793K开始晶化成α相。 纳米非晶氮化硅微粒在1673K加热4h全部转
变成α相。
2. 磁学性能
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： 在小尺寸下，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。
粒径为65nm的纳米Ni微粒。矫顽力很高，χ服从居 里—外斯定律。
（这与传统材料不一致，说明粒径降低在一定范 围内可以提高矫顽力，阻止铁磁体向顺磁体转 变）；
而粒径小于15nm的Ni微粒，矫顽力Hc—>0，如图 这说明它们进入了超顺磁状态，磁化率χ不再服从 居里—外斯定律。如下图
1.3 纳米微粒的物理特性
一、纳米微粒的结构与形貌
纳米微粒一般
为球形或类球形。
往往呈现多面体
或截角多面体。
Bi
蒸发
其他的形状可以与
不同合成方法和
其晶体结构有关。
Bi球形粒子
PMMA乳液聚合法，与无机物不同，高分子大多数是无定形 或结晶度比较低。表面能最低。
球形
Ni链蒸发
链状的，高温下，由许多粒子边界融合连 接而成。
零维纳米材料
零维纳米材料零维纳米材料是一种在纳米尺度下具有特殊结构和性能的材料，其特点是在三个空间方向上都被限制在纳米尺度范围内。
与一维、二维和三维纳米材料相比，零维纳米材料具有更加独特的性质和潜在的应用前景。
本文将介绍零维纳米材料的定义、特点、制备方法及其在材料科学和纳米技术领域的应用。
零维纳米材料的定义。
零维纳米材料是指在三个空间方向上都限制在纳米尺度范围内的纳米材料，它们通常是由原子、分子或纳米粒子组成的超小尺寸结构。
与一维纳米材料（如纳米线、纳米管）、二维纳米材料（如石墨烯）和三维纳米材料（如纳米晶体、纳米颗粒）相比，零维纳米材料在空间结构上更加微观和特殊。
零维纳米材料的特点。
零维纳米材料具有许多独特的特点，包括尺寸效应明显、量子效应显著、表面效应突出等。
由于其尺寸远小于传统材料的微观尺度，零维纳米材料的物理、化学和生物性质往往呈现出与常规材料迥然不同的特性。
此外，零维纳米材料的比表面积大、原子排列紧密，使得其在光电、磁学、力学等方面表现出独特的性能。
零维纳米材料的制备方法。
目前，制备零维纳米材料的方法主要包括化学合成、物理气相沉积、溶液法合成等多种途径。
化学合成是最常用的方法之一，通过控制反应条件和原料比例，可以合成出具有特定结构和性能的零维纳米材料。
物理气相沉积则是利用物理气相反应在合适的基底上直接生长出纳米尺度的结构。
溶液法合成则是将适当的原料溶解在溶剂中，通过控制溶液条件和反应过程，实现零维纳米材料的制备。
零维纳米材料的应用。
零维纳米材料在材料科学和纳米技术领域具有广泛的应用前景。
在光电领域，零维纳米材料可以用于制备高效的光电器件，如太阳能电池、光电探测器等。
在催化领域，零维纳米材料具有巨大的比表面积和丰富的表面活性位点，可以作为高效的催化剂用于催化反应。
在生物医学领域，零维纳米材料可以用于药物传递、生物成像等应用。
此外，零维纳米材料还可以用于制备高性能的传感器、储能器件等。
总结。
零维纳米材料作为一种具有特殊结构和性能的纳米材料，具有广阔的应用前景和发展空间。
零维纳米材料PPT课件
因此，射频溅射可以适用于各种材料，包括石英、玻璃、氧化铝、蓝宝石、金刚石、氮化物、硼化物
薄膜等。
但大功率的射频电源 不仅价格高（成本高） ，而且对于人身防护 也成问题。因此，射频溅射不适于工
业生产应用
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体原子的碰撞几率高，因此气体离子化率大大增加。
• 磁控溅射靶的溅射沟槽一旦穿透靶材，就会导致整块靶材报废，所以靶材
的利用率不高，一般低于40％，这是磁控溅射的主要缺点。
43
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3、射频溅射
问题？
当靶材为绝缘体，若使用直流溅射，则Ar+
离子会在靶表面积蓄，从而使靶面电位升高，结
果导致放电停止
• 随后改变掺杂元素，
9
获得了 T c 更高的超导体。因此 C 60 的研究热潮立即应运而来
第9页/共137页
纳米微粒（nanoparticle）
10
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纳米颗粒
• 纳米颗粒（ 也称作纳米微粒、超微粒子或纳米粉 ）
颗粒尺度为纳米量级的超微颗粒，尺度大于原子团
簇，一般在100nm以内。
加
热
示
意
图
28
膜原监控
档板
蒸发源
加热器
排气
第28页/共137页
（2）高频加热
高
频
加
热
示
意
图
坩埚
RF线圈
RF电源
29
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（3） 等离子体加热法
•原理：
温度高,达2000K以上，包含大量的高活性
纳米材料与超分子化学
分子识别与组装
分子自组装与超分子结构
分子机器与纳米系统
生物超分子结构与功能
药物传输系统 生物成像和诊断 能源存储和转换 环境和可持续性
纳米材料可作为超分子结构的构筑 单元，用于合成具有特定功能的超 分子体系。
纳米材料可以作为超分子主体，用 于识别和分离小分子物质。
添加标题
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添加标题
利用生物酶催化 反应制备纳米材 料
利用微生物发酵 过程制备纳米材 料
利用植物提取物 制备纳米材料
利用生物模板法 合成纳米材料
纳米材料在超分子化学中的力学性能研究主要关注其硬度和柔韧性。 力学性能对于纳米材料在超分子化学中的应用具有重要影响，例如在药物传递和生物医学应用中。 通过研究纳米材料的力学性能，可以深入了解其在超分子结构中的作用机制和性能表现。
XX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XX
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05
06
纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基 本单元构成的材料
纳米尺度：相当于10个原子排列在一起的长度
分类：零维、一维、二维纳米材料
特性：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应
应用前景：纳米材料与超分子化学的相互影响为新型功能材料的开发提供了新的思路，有望在能源、环 境、生物等领域发挥重要作用。
未来展望：随着研究的深入，纳米材料与超分子化学的相互影响有望为解决一些科学和技术难题提供新 的途径。
真空蒸发镀膜法 磁控溅射法 离子束刻蚀法 激光脉冲法
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化学气相沉积法：利用挥发性物质在气态下发生化学反应，生 成固态物质沉积在基底表面，制备纳米材料。
纳米材料的合成详解
可用于制备各类复合材料和化合物超细粉体
3. 冷冻干燥法
1) 基本原理 一、先使溶液喷雾在冷冻剂中冷冻，然后在低温低 压下真空干燥，将溶剂升华除去就可得到相应
物质的超微颗粒
二、从水溶液中制备超微颗粒，冻结后将冰升华除
去，可直接获得超微颗粒
三、从熔融盐出发，冻结后需要进行热分解，最后
得到相应的超微颗粒
纳米粒子合成的物理方法——粉碎法
纳米粒子合成的物理方法——粉碎法
纳米粒子合成的物理方法——构筑法
纳米粒子合成的物理方法——构筑法
1. ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ发凝聚法
☆ 定义 ：蒸发凝聚法是将块体原料加热、蒸发
使之成为原子或分子，再使其中许多原子
或分子凝聚，生成纳米颗粒的制备方法。
☆ 特点 ① 制备过程一般不伴有燃烧之类的化学反应，全过程 都是物理变化过程；
制备出相应的氧化物、碳化物、氮化物等超微颗
粒
◆ 电弧放电加热蒸发法
在两块状金属电极之间产生电弧，使两块金
属表面熔融、蒸发制备相应的粉体。 该法特适合于制备Al2O3一类的金属氧化物超 微颗粒（粉体）
◆ 高频感应电流加热蒸发法
利用高频感应强电流产生的热量使金属物料 被加热、熔融，再蒸发而得到相应的超微粒子 制得的粒子颗粒均匀、产量大，便于工业化
3) 气体蒸发法
◆ 基本过程
将原料加热到相当高的温度，使物质蒸发，并
在低温下凝结制备超微颗粒的方法
◆ 对热源温度场的要求
保证物质加热所需要的能量
原料蒸发后快速凝结
温度场分布空间范围尽量小、温度梯度大
■ 蒸发原料的技术手段
等离子体蒸发 激光束加热蒸发 电子束加热蒸发 电弧放电加热蒸发 高频感应电流加热蒸发
零维纳米材料制备课件ppt
零维纳米结构单元
零维纳米结构单元的种类和称谓多种多样，常见的有纳米粒子 （Nano-particle）、超细粒子（Ultrafine Particle）、超细粉 （Ultrafine Powder）、烟粒子（Smoke Particle）、人造原子 （Artificial Atoms）、量子点（Quantum Dop）、原子团簇 （Atomic Cluster）及纳米团簇（Nano-cluster）等，它们之间 的不同之处在于各自的尺寸范围稍有区别。零维纳米结构单元具 有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应等，因 而呈现出许多特有的性质。例如，纳米粒子的吸附性比相同材质 的本体材料更强，纳米粒子的表面活性使得它们更容易团聚，从 而形成带有若干连接界面的尺寸较大的团聚体。
由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构，因此量子点又被称为“人造原子”。 例如，纳米粒子的吸附性比相同材质的本体材料更强，纳米粒子的表面活性使得它们更容易团聚，从而形成带有若干连接界面的尺寸
较大的团通聚体过。化 学 反 应 生 成 所 需 要
(2)溶胶一凝胶转化：
不溶性颗的粒均化匀合地分物散在，含不在产生保沉护淀的气组分体的溶环液中．经胶凝化，不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中。
原理：蒸发过程中，由原物质发 出的原子由于与惰性气体原子碰 撞迅速损失能量而冷却，这种有 效的冷却过程在原物质蒸汽中造 成很高的局域过饱和，导致均匀 成核。一般先形成原子簇，再形 成单个纳米微粒。
气体冷凝法（高频感应加热法）制备纳米微粒 的模型图
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• 纳米材料的研究现已从最初的单相金属 发展到了合金、化合物、金属-无机载体 、金属-有机载体和化合物-无机载体、化 合物-有机载体等复合材料以及纳米管、 纳米纤维(丝或棒)等一维材料 • 合成方法日新月异
• 纳米粒子的合成目前已发展了多种方 法，制备的关键是控制颗粒的大小和 获得较窄的粒径分布，有些需要控制 产物的晶相，所需的设备尽可能简单 易行
第二章 零维纳米材料
• 零维纳米材料是指在三个维数上都进入 了纳米尺度的范围的材料 • 零维纳米材料主要包括： 1、团簇(clusters) 2、纳米颗粒（nanoparticle）
原子团簇
• 团簇作为一类新的化学物种，直到20世纪80年代才被 发现。 团簇是指几个至几百个原子的聚集体, 其粒径小于或等 于1 nm，如Fen, CunSm , CnHm和碳族（C60，C70)等等。 • 从结构上，既不同于分子，也不同于块体。 • 在性质上，既不同于单个原子和分子，又不同于固体 和液体，而是介于气态和固态之间的物质结构的新形 态，常被称作“物质第五态”
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1.钟罩 2. 阴极屏蔽 3. 阴极 4. 阳极 . 加热器 6. 高压 7. 高压屏蔽 8. 高压线路 9. 基片
直流二极溅射装置（左）和工作（过程）原理图（右）
2、磁控溅射
• 磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型 溅射技术，目前已在工业生产中应用 • 与二级直流溅射相比，由于磁控溅射的 速率提高了一个数量级，具有高速、低 温、低损伤等优点
原子团簇
原子团簇
• 原子团簇的独特性质：
1）具有硕大的比表面积而呈现出表面或界面效应； 2）幻数效应； 形状和对称性多种多样 3）“库伦爆炸”
是自然界中的一种与电荷相关的基本相互作用之一。例如当一 个金属球充电以后，电荷与电荷之间的相互排斥作用会导致系统的 能量升高。当电荷量超过了临界值（瑞利不稳定极限）时，金属球 会发生爆炸而分裂成几个小球，并以此来降低系统的库仑排斥能。
4）原子团逸出功的振荡行为等。
原子团簇
• 纳米碳球
主要代表就是C60，亦称作富勒碳
• 60个C原子组成的封闭的球形 ，32面体，20个六边形和12个 五边形构成一个完成富勒碳。 • 其结构与常规的碳的同素异性 体金钢石和石墨完全不同，物 化性质非常奇特，如电学、光 学和超导特性。
原子团簇
原子团簇
纳米颗粒
• 纳米颗粒（也称作纳米微粒、超微粒子或纳米粉）
颗粒尺度为纳米量级的超微颗粒，尺度大于原子团簇， 一般在100nm以内。 纳米颗粒是肉眼和一般光学显微镜看不见的微小粒子。 通常纳米颗粒小于红血球的千分之一、是细菌的几十分之一 ，与病毒大小相当。 日本上田良二教授：用电子显微镜（TEM）能看到的微 粒称为纳米颗粒
制备方法评述
• 制备方法的分类：
物理方法：由大到小的方法 化学方法：由小到大的方法
• 近十几年来，各种高科技手段应用于 纳米粒子的制备研究：激光技术、等 离子体技术、电子束技术和粒子束技 术等等
制备方法分类
气相法
物理气相沉积（PVD）
化学气相沉积（CVD）
制备方 法
液相法 固相法
气相法制备
• 气相法合成纳米颗粒的思路：
溅射制膜技术的应用
（一）溅射制膜法的广泛应用性 溅射制膜法适用性非常之广。 组成：单质膜、合金膜、化合物膜 结构：多晶膜、单晶膜、非晶膜 物性：光、电、声、磁或优良力学性 能的各类功能材料膜
溅射制膜技术的应用
（二）高温材料的低温合成。 利用溅射技术可在较低温度下制备许 多高温材料的薄膜。 如TiN、TiC、B4C 、BiC、PbTiO3及金刚石薄膜等
• RF溅射的原理 在绝缘材料背面的金属板电极上通以10MHz以上的 射频电源，由于在靶上的电容偶合，就会在靶前面产 生高频电压，使靶材内部发生极化而产生位移电流， 靶表面交替接受正离子和电子轰击 因此，射频溅射可以适用于各种材料，包括石英、 玻璃、氧化铝、蓝宝石、金刚石、氮化物、硼化物薄 膜等。 但大功率的射频电源不仅价格高（成本高），而且 对于人身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业 生产应用
问题？
3、射频溅射
当靶材为绝缘体，若使用直流溅射，则Ar+离 子会在靶表面积蓄，从而使靶面电位升高，结果 导致放电停止
射频（简称RF ）：
射频就是指射频电流，它是一种高频交流变化电磁波 的简称 频率<103Hz的交流电称为低频电流，>104Hz的称为高 频电流，而射频就是这样一种高频电流
3、射频溅射（RF溅射）
直接利用气体，或通过各种手段将物质变成气体， 使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷 却中凝聚、长大，形成纳米颗粒
• 气相法中物质经历相变化，而相变中能量 变化是主要决定因素
气相成核理论
• 纳米微粒的形成源自一个生长核心，其 形成分为两种机制：
（1）异相成核：以进入蒸气中的外来离子、粒子 等杂质或固体表面上的台阶等缺陷作为核心，进行微 粒的成核和长大 （2）均相成核：无外来杂质和缺陷的参与，过饱 和蒸气中的原子相互碰撞而失去动能，聚集形成核心 ，当核心半径大于临界半径rc时，可不断吸收撞击到表 面的其他原子、继续长大、最终形成微粒
真空蒸发沉积
（1）电阻加热
基板
膜原监控
电 阻 加 热 示 意 图
档板
蒸发源
加热器
排气
（2）高频加热
高 频 加 热 示 意 图
坩埚
RF线圈
RF电源
（3） 等离子体加热法
•原理：
温度高,达2000K以上，包含大量的高活性原 子、离子。 等离子体粒子流高速作用到原料表面，可使 原料迅速熔融，并大量迅速地溶解于原料熔体中 这些原子、离子或分子与金属熔体对流与扩 散使金属蒸发。
物理气相沉积生长
• 物理气相沉积（physical vapor depositonPVD）是指在凝聚、沉积的过程中，最 后得到的材料组分与蒸发源或溅射靶的 材料组分一致，在气相中不发生化学反 应，只是物质转移和形态改变的过程 • PVD过程中气相的产生主要包括蒸发和 溅射两种方法
物理制备方法
真空蒸发
溅射沉积
依据荷能粒子产生方法的不同，溅射沉积分成2类： 1、真空溅射 在真空室中，利用低压气体放电、利用处于等离子状 态下的离子轰击靶表面，溅射出粒子并堆积在基片上 2、离子束溅射 也是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，溅射出 的离子在基片表面成膜 离子束要由特制得离子源产生，其结构复杂，价格 昂贵，较少采用
溅射现象早在19世纪就被发现，历史悠久。 50年前有人利用溅射现象在实验室中制成薄膜。 60年代制成集成电路的钽(Ta)膜，开始了它在工业上的应用。 1965年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射制膜成为可能
溅射法原理 正离子
溅射原子 靶 基 片
溅射镀膜通常是由三个阶段组成
• 溅射原理：
入射离子的能量在l00eV～l0000eV范围时，离子会从固体表面进入固体的 内部，与构成固体的原子和电子发生碰撞 碰撞的结果会使原子脱离其原来位置，成为反冲原子 如果反冲原子的一部分到达固体的表面，且具有足够的能量，那么这部分 反冲原子就会克服逸出功而飞离固体表面，这种现象即离子溅射
单源单层蒸发 单源多层蒸发 多源反应共蒸发
物理气相沉积 (PVD)
直流溅射 真空溅射 射频溅射 磁控溅射 溅射沉积 单离子束(反应)溅射 离子束溅射 双离子束(反应)溅射 多离子束反应共溅射
• 蒸发： 在高真空中用加热蒸发的方法使源物 质转化为气相 • 在蒸法沉积中，有几种加热方式： （1） 电阻加热 （2）高频感应加热（RF） （3）等离子体加热 （4）电子束加热
物理气相沉积 (PVD)
溅射法
直流溅射 真空溅射 磁控溅射 射频溅射 单离子束(反应)溅射 离子束溅射 双离子束(反应)溅射 多离子束反应共溅射
• 基本概念：
溅射法
溅射法是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的 粒子与惰性气体分子碰撞、冷却而凝结，或与活性气体反应而形成纳 米微粒。
• 发展历史：
磁控溅射的原理
• 在阴极靶面上建立一个环状磁靶，来控制二次电子能多产生几次碰撞 电离，以提高溅射效率。磁控溅射所采用的环形磁场对二次电子的控 制更加严密。环状磁场迫使二次电子跳跃式地沿着环状磁场转圈
环状磁场控制的区域是等离子体密度最高的部位。溅射时，溅射气体 氩气在这部位发出强烈的淡蓝色辉光，形成光环，光环下的靶材是被 离子轰击最严重的部位，会溅射出一条环状的沟槽
磁控溅射的优缺点
• 能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中做循环运动 ，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而且只有 在电子的能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极(基片)上， 这是基片升温低、损伤小的主要原因。 • 高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。 这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，基片又免受 等离子体的轰击。电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体 离子化率大大增加。 • 磁控溅射靶的溅射沟槽一旦穿透靶材，就会导致整块靶材报 废，所以靶材的利用率不高，一般低于40％，这是磁控溅射 的主要缺点。
• 纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后 就成为具有金属性的导体 ，适当的掺杂 成分可以使 C60固体成为超导体
• Hebard等首先发现了临界温度（ Tc）为 18K的K3C60超导体
• 随后改变掺杂元素， 获得了Tc更高的 超导体。因此C60的研究热潮立即应运而 来
纳米颗粒（nanoparticle）
溅射沉积的关键问题—溅射产额
• 溅射产额：是指一个入 射离子所溅射出的中性 原子的数目
溅射产额(原子/离子)
102 101 10 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 1 10 102 103 104 105