低维纳米材料总结

低维纳米材料的制备与性能研究

创新实践课

徐成彦

材料科学与工程学院

微系统与微结构制造教育部重点实验室

课时安排

共32学时，授课及讨论20学时，实践教学12学时2-9周

授课：周四、周六，A513 实践课：微纳米中心(科学园B1栋314)

联系方式

办公室：材料楼502房间

电话：86412133

E-mail: cy_xu@

Homepage: /pages/cyxu

一.纳米材料导论

1.纳米：长度计量单位，1nm=10-9 m。

2.纳米结构：通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。

3.纳米技术：在纳米尺度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。

4.团簇：Clusters denotes small, multiatom particles. As a rule of thumb, any particle of somewhere between 3 and 3x107 atoms is considered a cluster. (a few Å ~ a few hundreds Å)

5.量子点：A quantum dot is a portion of matter (e.g., semiconductor) whose excitons are confined in all three spatial dimensions. Consequently, such materials have electronic properties intermediate between those of bulk semiconductors and those of discrete molecules. (typically, 5 ~ 50 nm)

6.纳米材料

Nanomaterials:refers to materials having unique properties derived from features present in them whose dimensions are on the nanoscale (less than 100 nm).

Nanostructures: 1-D nanostructures, specially nanowires, nanorods, nanotubes Nanomaterials: parallel to nanoscience, nanotechnology

Nanocrystals (NCs)

Nanostructured Materials: ref to bulk materials

7.低维结构材料：有时也称为量子工程材料，通常指除三维体材料以外的二维、一维和零维材料。典型的材料分别为超晶格量子阱、量子线和量子点材料。

8.光学显微镜的放大极限是1500X。

9.信息时代材料的核心是Si。

10.低维纳米材料的类别

零维：三个维度都处于纳米尺寸，如团簇、量子点、纳米颗粒等。

一维：两个维度处于纳米尺寸，如纳米线、纳米棒、纳米纤维、纳米管等。

二维：一个维度处于纳米尺寸，如超薄膜、超晶格。

11.原子团簇：团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化（称为重构）。团簇的性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。因此，人们把团簇看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态，或者说，代表了凝聚态物质的初始状态。

12.量子阱(Quantum well)：由带隙宽度不同的两种薄层材料交替生长在一起，而且窄带隙薄层被包夹在宽带隙材料中间的一种微结构。其中，窄带隙势阱层的厚度小于电子的德布罗意(de Broglie)波长，电子的能级变成分立的量子化能级，该微结构为量子阱。

二．纳米材料的制备方法

1.一般说来，合成是化学领域使用较多的词汇，有时特指以取得目标化合物为目的的方法。制备这个词概念相对宽泛一些。

2.纳米制备技术(Nanofabrication technique)

Top-down: 光刻、电子束刻蚀、软刻蚀、dip-pen

Bottom-up: 自组装

3.合成方法的分类

纳米材料合成注意控制大小、形状、图案化（阵列）。根据是否发生化学反应，纳米微粒的制备方法通常分为两大类：物理法和化学法；根据制备状态的不同，制备纳米微粒的方法可以分为气相法、液相法和固相法等。

4.零维纳米材料的制备方法

①气体冷凝法

1) 定义：气体冷凝法是在低压的氦、氩等惰性气体中加热金属、合金或陶瓷使其蒸发气化，然后与惰性气体碰撞冷凝形成超微粒(1—1000 nm)或纳米微粒(1—100 nm)的方法。

1963年，Ryozi Uyeda及其合作者研制出，通过材料在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米微粒。

2) 气体冷凝法的原理

整个过程是在超高真空室内进行。通过分子涡轮使其达到0.1Pa以上的真空度，然后充

入低压(约2KPa)的纯净惰性气体(He或Ar，纯度为~99.9996％)。

欲蒸的物质(例如，金属，CaF2，NaCl，FeF等离子化合物、过渡族金属氮化物及易升华的氧化物等)置于坩埚内，通过钨电阻加热器或石墨加热器等加热装置逐渐加热蒸发，产生原物质烟雾，由于惰性气体的对流，烟雾向上移动，并接近充液氮的冷却棒(冷阱，77K)。

在蒸发过程中，原物质发出的原子与惰性气体原子碰撞而迅速损失能量而冷却，在

原物质蒸气中造成很高的局域过饱和，导致均匀的成核过程。

在接近冷却棒的过程中，原物质蒸气首先形成原子簇，然后形成单个纳米微粒。在接近冷却棒表面的区域内，单个纳米微粒聚合长大，最后在冷却棒表面上积累起来。

用聚四氟乙烯刮刀刻下并收集起来获得纳米粉。

3) 气体冷凝法影响纳米微粒粒径大小的因素

(1)惰性气体压力。

惰性气体压力的增加，粒子变大。

(2)惰性气体的原子量。

大原子质量的惰性气体将导致大粒子。

(碰撞机会增多，冷却速度加快)。

(3)蒸发物质的分压，即蒸发温度或速率。

实验表明，随着蒸发速率的增加(等效于蒸发源温度的升高)，或随着原物质蒸气压力的增加，粒子变大。