纳米材料分类和应用最全介绍

§1.1 基本概念和内涵
• 3. 纳米材料(Nanomaterials)
• (1)纳米材料的定义:
• 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范 围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。
• 即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围 的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊 功能的材料。
§1.1 基本概念和内涵
纳米材料分类和应 用最全介绍
§1.1 基本概念和内涵
• 人类对客观世界的认识分为两个层次： • 一是宏观领域，二是微观领域。 • 宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体
开始为下限，上至无限大的宇宙天体；
• 是以分子原子为最大起点，下限是无限小 的领域。
• 基本粒子：电子、质子、中子等。
• 介观领域：
§1.1 基本概念和内涵
• （3）目前该领域的主要研究内容： • A 制备纳米尺寸范围材料的相关技术 • 液相法：如沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、聚合法、
化学镀法。 • 气相法：如蒸发法、电弧法、化学气相沉积法、微
弧氧化法。
• B 分析、观察、检测纳米体系物质的相关技术 • 如AFM，STM，XRD，SEM，TEM，激光粒度仪，
§1.1 基本概念和内涵
• （2） 纳米材料与传统材料的主要差别： • 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数
量级上。 • 比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度
在纳米尺度范围内。尺寸
• 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等， 使材料在物理和化学上表现出奇异现象。
• 比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散 率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。 性能
• 因此, 纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时 代的重要标志。----微米时代(微米技术)
§1.1 基本概念和内涵
• (2) 纳米技术与微电子技术的主要区别是：
• 纳米技术研究的是以控制单个原子、分 子来实现设备特定的功能，是利用电子 的波动性来工作的；
• 而微电子技术则主要通过控制电子群体 来实现其功能，是利用电子的粒子性来 工作的。
§1.1 基本概念和内涵
一、基本概念
1、纳米 （nanometer）
• 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。 1 nm=10(-9) m=10 埃。
• 头 发 直 径 ： 50-100 m, 1 nm 相 当 于 头 发 的 1/50000。如图
• 氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原 子一个一个排起来的长度。
• E 纳米体系物质的应用 • 如Nano-Pd/Al2O3：CO助燃剂； Nano-TiO2：抗
菌，光催化，自清洁；碳纤维：吸波，聚苯胺： 化学传感器；V2O5：锂电池正极材料等。
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• 4. 纳米器件
• (1) 所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计 和制造功能器件。
• 纳米科技的最终目的是以原子分子为起点, 去制 造具有特殊功能的产品。
• 纳米材料有两层含义： • 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如
纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料 的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中 的晶粒；
• 其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材 料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材 料的、优异的特性。
• 量子尺寸效应
§1.1 基本概念和内涵
• （2） 纳米科技的主要研究内容
• 创造和制备优异性能的纳米材料、 • 制备各种纳米器件和装置、 • 探测和分析纳米区域的性质和现象。 • (基础，目标，前提)
• 纳米科技的最终目标：直接利用物质在纳米尺 度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特性 制造出具有特定功能的产品。
• 在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年 来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女 地”，三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的 崭新的物理性能。
• 1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者 费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微 尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们 可能获得物性的范围”。
比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等)，紫外可见 光吸收光谱，荧光光谱，热分析，磁性仪等。
§1.1 基本概念和内涵
• C 纳米体系物质的物理性能 • 如小尺寸效应，隧道效应，表面效应，量子尺
寸效应，光、电、热、磁效应等。
• D 纳米体系物质的化学性能 • 纳米金属粒子、半导体粒子等, 如化学活性、
催化性能、稳定性、生物活性等。
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• 1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术 划分为6个分支学科
• （1）纳米电子学、 • （2）纳米物理学、 • （3）纳米化学、 • （4）纳米生物学、 • （5）纳米加工学、 • （6）纳米计量学(定位、测长等)。 • 其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理
论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内 容。
§1.1 基本概念和内涵
• 2. 纳米科技(Nano-ST)
• （1）纳米技术：20世纪80年代末期刚刚 诞生并正在崛起的新科技，是研究在千 万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米) 内，原子、分子和其它类型物质的运动 和变化的科学；同时在这一尺度范围内 对原子、分子等进行操纵和加工的技术。
• 这个领域包括了从微米(1-100μ m)、亚微米， 纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸) 的范围。
§1.1 基本概念和内涵
• 从广义上来说，凡是出现量子相干现象 的体系统称为介观体系，包括团簇、纳 米体系和亚微米体系。
• 纳米体系和团簇从这种介观范围独立出 来，形成一个单独的领域(狭义的介观领 域)。
• 人们研究和开发纳米技术的目的，就是 要实现对整个微观世界的有效控制。
§1.1 基本概念和内涵
• (3) 制造纳米产品的技术路线可分为两种：
• “自上而下” (top down)：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。 如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷 等。
• 特点：尺寸从大到小
• “自下而上” (bottom up) ：是指以原子分子 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。