《纳米功能材料》第三章 纳米电功能材料
纳米功能材料
纳米功能材料纳米功能材料是一种尺寸在纳米级别的材料，通过调控材料的结构和性质，赋予其特殊的功能和性能。
纳米功能材料具有比传统材料更高的比表面积、更好的机械性能、更强的化学活性和更好的光学特性等特点，被广泛应用于能源、环境、医药和电子等领域。
首先，纳米功能材料在能源领域具有广泛的应用前景。
纳米材料的高比表面积可以增加其与外界的接触面积，从而提高能源转化效率。
比如，纳米铂颗粒可以作为催化剂用于燃料电池中，提高其催化活性，增强能源转化效率。
此外，纳米功能材料还可以用于太阳能电池和储能材料中，提高光电转化效率和储能密度，推动可再生能源的发展。
其次，纳米功能材料在环境领域也有重要的应用。
纳米材料具有较大的比表面积和可调控的化学活性，可以用于污水处理、废气治理和水质净化等环境问题中。
比如，纳米二氧化钛可以作为光催化剂，通过光生电子与光生空穴的产生和迁移，分解有机污染物和抑制细菌的生长，实现环境净化。
此外，纳米银颗粒还可以用于抗菌材料的制备，具有广泛的应用前景。
第三，纳米功能材料在医药领域也具有重要的应用价值。
由于纳米材料具有可调控的尺寸和表面性质，可以实现对药物的控释和靶向输送。
比如，纳米载药系统可以通过调控材料的粒径和表面修饰，改善药物的生物利用度和药效，减少药物的副作用。
此外，纳米材料还可以用于肿瘤治疗和影像诊断，如纳米磁性材料在磁共振成像中的应用和纳米金材料在光热治疗中的应用，为临床医学提供了新的手段和方法。
最后，纳米功能材料在电子领域也有广泛的应用。
纳米材料具有优异的电子传输性能和光学特性，可以用于电子器件的制备和集成。
比如，纳米碳管可以用作场发射显示器和柔性电子设备的电子发射源，具有较高的发射效率和稳定性。
此外，二维纳米材料如石墨烯和过渡金属硫属化物也可以用于光电器件的制备，如光伏电池和光电检测器，具有较高的光电转化效率和响应速度。
综上所述，纳米功能材料具有许多特殊的功能和性能，广泛应用于能源、环境、医药和电子等领域。
纳米功能材料的制备与表征
纳米功能材料的制备与表征近年来，纳米技术发展日新月异，纳米材料的制备与应用也得到了广泛的关注。
纳米功能材料的制备与表征是纳米科技中不可缺少的环节，在纳米科技的各个领域中都有着重要的应用。
今天，我们就一起来了解一下纳米功能材料的制备与表征的相关知识。
一、纳米功能材料的制备方法在制备纳米功能材料时，通常需要通过一些特殊的方法来实现纳米级精度。
其中，主要有以下几种方法：1. 物理制备方法物理制备方法是指通过物理手段来制造纳米材料，主要包括机械法、热处理法、蒸发法、溅射法等。
机械法是指通过机械力将材料切割成纳米级别的微粒。
常用的机械制备方法有球磨法、流化床法等。
热处理法是指将材料在高温下进行一系列的热处理，使其形成纳米级别的颗粒。
常用的热处理方法有高温还原法、热分解法等。
蒸发法是指将材料在真空条件下蒸发成薄膜，然后使用一些特殊的手段将其压缩成纳米级别的颗粒。
常用的蒸发法有电子束蒸发法、磁控溅射法等。
溅射法是指将材料放置在真空室中，在电子束或离子束的轰击下，使其形成纳米级别的颗粒。
常用的溅射法有磁控溅射法、光致发光溅射法等。
2. 化学制备方法化学制备方法是指通过化学反应来制备纳米材料，主要包括沉淀法、胶体溶胶法、微乳液法等。
沉淀法是指通过化学反应将材料溶液中的金属离子还原成金属颗粒，形成纳米级别的粒子。
常用的沉淀法有化学沉淀法、共沉淀法等。
胶体溶胶法是指在液相中制备纳米颗粒，主要通过控制反应条件来控制颗粒的大小和形态。
常用的胶体溶胶法有溶胶凝胶法、微乳液法等。
微乳液法是指在反应体系中加入表面活性剂，形成微胶团来控制粒子的大小和形态。
常用的微乳液法有水合胶体微乳液法、反应交替微乳液法等。
二、纳米功能材料的表征方法在研究纳米材料的表征时，常采用一些特殊的方法来观察其物理化学性质和结构特征。
其中，主要采用以下几种方法：1. 电子显微镜电子显微镜是一种用来观察纳米材料的表面形貌和结构的仪器。
主要包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等。
化学纳米技术中的催化剂和功能材料
化学纳米技术中的催化剂和功能材料催化剂以及具有特定功能的材料在纳米化学中扮演着非常重要的角色。
了解纳米化学中的催化剂和功能材料的基本原理，有助于我们更好地理解这些材料在现代技术应用中的作用和未来发展的趋势。
一、催化剂催化剂是一种可以改变化学反应速率而本身不参与反应的物质。
在纳米材料中，催化剂分为两种类型：一种是金属催化剂，主要是以纳米粒子的形式存在，比如Pt、Pd、Au等；另一种是非金属催化剂，主要是以纳米复合物和复合材料的形式存在，比如氧化物、硝酸盐等。
催化剂的特性影响了许多重要的化学反应，包括氧化还原反应、加氢反应、酸碱反应等。
催化剂的催化活性与其表面积和表面结构密切相关。
在纳米材料中，催化剂具有非常高的表面积和特定的晶形结构，这使得纳米材料在催化反应中表现出良好的催化性能。
此外，纳米颗粒独特的物理和化学性质也使得其在催化反应中表现出与宏观催化剂截然不同的性质，例如更高的反应选择性和催化活性。
二、功能材料纳米化学中的功能材料可以增强材料的特定性能，例如热导率、电导率、磁性、光学特性等。
这些特定的性能被用于开发许多新型材料和设备，例如纳米管、超导体和柔性显示器等。
作为典型的功能材料之一，氧化物纳米材料被广泛运用于能量存储和转换领域。
例如，纳米级锂离子电池的正极材料LiFePO4具有非常高的电化学性能和优异的能量存储性能，因此在智能手机和笔记本电脑等设备中广泛应用。
此外，氧化铝和氧化二铁等材料也被广泛用于氧化还原反应、电催化反应以及电磁波吸收等。
另一个要点是碳纳米管，是现代材料学领域中备受关注的材料之一。
碳纳米管具有高度导电性、高度热导率和较高强度，因此被认为是未来纳米材料中的重要一员。
碳纳米管可用于制备集成电路、开发高强度的纤维素材料以及制备电化学储能器件，对于人工智能等领域都有广泛的应用前景。
总之，催化剂和功能材料是现代纳米材料研究的核心。
随着科技的不断发展和人们对于材料性能提升需求的日益增长，对于纳米化学的研究会越来越受到人们的关注。
《纳米功能材料》第三章 纳米电功能材料
第一节 电接触复合材料 第二节 导电复合材料 第三节 压电复合材料 第四节 超导材料 第五节 介电材料
纳米材料的物理性能
纳米材料的物理性能改变的几种机制：（1）大表面原子数比，（2）大表 面能，（3）空间限域，（4）非完整性的降低。
具体实例：
➢ 纳米材料由于具有大的表面原子数比，可以具有很低的熔点、相转变温度、 略微减小的晶格常数。 ➢ 纳米材料机械性能可达到理论强度，比块体单晶的强度高1~2个数量级。 ➢ 纳米材料光学性能，半导体纳米粒子的光吸收峰，由于带隙宽度增大而向短 波方向移动。金属纳米粒子颜色由于表面等离子基元而随尺寸变化。 ➢ 纳米材料由于增加的表面散射，电导率随尺寸而减小。但如果较好地排列， 电导也可以提高，如在聚合物小纤维中。 ➢ 纳米结构材料的磁性，表面能的存在，块体材料的铁磁性转变为纳米材料的 超顺磁性。 ➢ 自净化是纳米材料的内在动力学性质。热处理可提高杂质、内部缺陷和位错 的扩散，容易将它们推向表面附近。对化学和物理性质有明显的影响。
θ λ0
d
θ1
p
θ2
z
λ0
d — 薄膜厚度； o — 块体中电子平均自由程
非弹性散射后，薄膜电阻率 f 相对于块体电阻率 0的比值：
0 f
d 20
ln
0 d
3 2
厚度d小于块体电子平均自由程o的薄膜中，膜表面非 弹性散射电子的汤普森（Thompson）模型示意图。
[J.J. Thompson, Proc. Cambridge Phil. Soc. 11, 120 (1901).]
极大的荷电能量的状况下
（A）STM针尖放置在吸附于Au-云母基体上 （插图）的单个团簇上，83 K时的库仑阶梯IV曲线；电势为针尖-基体之间的偏压；双隧道 结等效回路给出电容Cupper = 0.59 aF和Clower = 0.48 aF （B）2:1甲苯:乙腈/0.05 M HX4NClO4中0.1 mM 28kDa团簇溶液的伏安曲线（CV −，100 mV/s；DPV →，为电流峰，20 mV/s，25 mV脉冲，顶端、底部分别为负、正扫描）， 7.9 × 10−3 cm2 Pt电极，298 K，Ag线赝参 比电极
纳米功能材料课件
在能源领域的应用
01
02
03
太阳能电池
纳米功能材料如纳米硅、 纳米染料等可以提高太阳 能电池的转化效率，降低 成本。
燃料电池
纳米功能材料如纳米碳管 、纳米合金等可以改善燃 料电池的电化学性能，提 高能量密度。
储能电池
纳米功能材料如纳米磷酸 铁锂、纳米钛酸锂等可以 改善储能电池的充放电性 能，提高循环寿命。
真空蒸发镀膜法
在高真空条件下，通过加热蒸发材料 ，使其在基底上沉积形成薄膜，该方 法可制备连续、均匀的薄膜，但设备 成本高，操作复杂。
化学法
化学气相沉积
通过控制化学反应条件，使气体 在基底上发生化学反应并沉积成 膜，该方法可制备连续、均匀的 薄膜，但设备成本高，操作复杂
。
溶胶-凝胶法
通过控制溶液的化学反应条件， 使前驱体发生聚合反应形成凝胶 ，再经过干燥和热处理制备纳米 材料。该方法简单易行，但产品
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光学性能
总结词
纳米功能材料的光学性能是指其在光场作用下的响应行为，包括光的吸收、散射、折射和发射等。
详细描述
光的吸收、散射和折射等性能在光学器件、光子晶体和光子集成电路等领域具有重要应用。此外，纳 米功能材料还可以通过光激发产生荧光、化学发光等发射性能，这些性能在生物成像、传感和显示技 术等领域具有广泛的应用前景。
环境的破坏。
责任与赔偿
03
明确纳米功能材料生产和应用过程中可能产生的责任和赔偿问
题。
未来展望与建议
加强国际合作
各国政府应加强合作，共同制定全球性的纳米功能材料法规和伦 理标准。
推动研究与创新
鼓励和支持纳米功能材料领域的研究与创新，促进纳米技术的可 持续发展。
3.-纳米功能材料理论基础PPT课件
只能研究尺寸较小的纳米结构，或得到局部性质，如表面/界面等。
7
-
泛函密度理论的框架
物质的电子结构由多粒子体系哈密顿函数和薛定格方程 描述
通过Born-Oppenheimer 近似，实现离子和电子自由度的 分离
ZnO纳米线激子束缚能与半径的关系(a) L=0轻空穴 (b) L=±1重空穴。
1s，2s和3s分别对应于基态，第一激发态和第二激发态的结合能。
32
-
Z方向波函数的平方在Z方向的分布
33
-
• 沿Z方向的波函数的平方 在Z方向的分布，其中的 实线代表考虑了介电失 配的结果，而虚线代表 没有考虑介电失配的结 果。
26
-
缺陷对ZnO纳米线能带结构的影响
存在VZn, Pi, Oi, PZn-2VZn, VO和 Zni缺陷时ZnO纳米线的 27 - 电子能带结构图。费米能级设定为零。
掺杂对电子结构的影响（费米面处态密度分布）
用SIESTA软件计算的Na、Ga和N掺杂ZnO纳米线在费米面附近的态 密度分布的等高面
带隙与表面原子比
近似线性关系表明带隙随纳米线直径的变化是由表面原子引 21 - 起的。Eg～d的关系可以用来调控发光波长。
Eg与纳米带度/厚度的关系
ZnO纳米带的LDA带隙宽度（EgLDA）随纳米带截面积的尺寸相关变化。 (a)点线连接具有相同宽度不同厚度的纳米带 ，A、B、C代表具有相近
截面积，但不同禁带宽度的情况
(b) 点线连接具有相同厚度不同宽度的纳米带
22
-
纳米功能材料研究导论
纳米功能材料研究导论纳米功能材料研究导论纳米功能材料是当今最具发展潜力与应用前景的领域之一。
随着纳米技术的迅速发展，我们对材料的研究和应用进入了一个崭新的时代。
纳米材料具有独特的物理、化学和生物学特性，这使得它们在许多领域中都具有广泛的应用前景，如能源、环境、医药和电子等。
首先，纳米材料具有巨大的比表面积。
由于纳米材料的颗粒尺寸非常小，因此其比表面积相对较大。
这使得纳米材料在催化、吸附和传感等方面具有优越的性能。
例如，纳米金属颗粒可以作为高效的催化剂，用于催化反应的加速和选择性控制。
此外，纳米材料的巨大比表面积还可以提高电池和储能材料的能量密度和功率密度，从而推动可再生能源的发展。
其次，纳米材料具有尺寸效应。
当材料的尺寸减小到纳米级别时，其物理和化学性质可能会发生显著变化。
这是由于纳米材料的电子结构和表面能的改变所导致的。
例如，纳米颗粒的光学性质会随着颗粒尺寸的变化而改变，这使得纳米颗粒在太阳能电池、光催化和光电子器件中有着广泛的应用。
此外，纳米材料的电学、磁学和热学性质也会因尺寸效应而改变，这为微电子学和纳米电子学提供了新的研究和应用方向。
再次，纳米材料具有高度可控性。
纳米材料的合成和制备具有高度的可控性，可以通过调节合成条件和工艺参数来精确地控制其形貌、结构和性能。
通过改变合成方法和条件，可以制备出不同形状、大小和组分的纳米材料，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜和纳米多孔材料等。
这种可控性使得纳米材料在光电子学、生物医学和传感器等领域中具有广泛的应用。
最后，纳米材料具有良好的可再生性和环境友好性。
纳米材料的制备通常不需要大量的原材料和能源，且产生的废弃物较少。
此外，纳米材料的使用也能够提高能源和资源的利用效率，减少对环境的污染和破坏。
因此，纳米材料被广泛应用于环境修复、废水处理和垃圾处理等领域。
总的来说，纳米功能材料研究是材料科学和工程领域中的一个重要方向。
纳米材料具有巨大的比表面积、尺寸效应、高度可控性和良好的可再生性和环境友好性等特点。
纳米功能材料 第一章 纳米功能材料绪论
“自下而上”
Bottom Up
“自上而下”
Top Down
Bottom up approach:
- Synthesis of building blocks (nanoparticles, macromolecules, layers)
- Assembly of building blocks to nanostructures
— 合成、性能及应用
高等教育出版社，2011 Guozhong Cao, Ying Wang 著；董星龙 译
纳米尺寸的概念
1 纳米 = 10 -9 米 （米/10亿）、10个氢原子排列长度、5个硅原子线状排列的长度
物质的尺寸
105 104 1000
尺寸 （纳米） 100
10 1
0.1
宏粒子 微粒子 大分子
摩尔定律
纳米技术热潮，是半导体工业的器件微型化、纳米 尺度上表征和操纵的实用化，所部分驱使！
1 cm
晶 体 管 1μm 尺 寸 50 nm
1-5 nm
第 第一 一代 代集 晶成 体电 管路
“摩尔定律”趋势线
1M 晶体管/每芯片
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Simultaneous synthesis & assembly
纳米技术的定义
纳米技术定义：由于纳米尺寸，导致的材料及其体系的结构与组成表现出奇特 而明显改变的物理、化学和生物性能、以及由此产生的新现象和新工艺。
制造纳米结构和纳米材料的技术的划分： 按照生长介质划分： 气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等； 液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等； 固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三 维光子晶体等； 混合生长，包括纳米线的气-液-固生长等 按照产物类型进行划分： 纳米粒子（零维）：通过胶质处理、火焰燃烧和相分离技术合成； 纳米棒或纳米线（一维）：通过模板辅助电沉积，溶液-液相-固相生长技术，和 自发各向异性生长的方式合成； 薄膜（二维）：通过分子束外延和原子层沉积技术合成； 纳米结构块体材料（三维）：例如自组织纳米颗粒形成光带隙晶体
纳米功能材料
纳米技术在污水处理方面的应用
污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、 细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理 方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好 解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金 属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。
谢 谢 观 看
3 防止电磁辐射 近年来电磁场对人体健康的影响问题已经成为一个新的研究热点。 在强烈辐射区工作并需要电磁屏蔽时，通过在墙内加入纳米材料层或 涂上纳米涂料，能大大提高遮挡电磁波辐射性能。中科院理化所利用 纳米技术研究出了新一代手机电磁屏蔽材料，可以实现手机信号抗干 扰能力，同时大大降低电磁波辐射。
4.照明工程方面的应用 火力发电排放的CO2、SO2、烟尘悬浮物等会引起温室效应、酸雨和 环境污染，通过照明节电可以带来巨大的社会、经济和生态效益。在照 明工程中，最理想的节电措施是充分利用太阳光来照明，利用一些纳米 材料的光致发光特性是可行的办法，白昼吸收自然光并贮存起来，晚上 再直接把光射到需要的地方。这从多孔硅光致发光现象得到了验证。
1.处理无机污染废水 污水中的重金属对人体的危害很大，重金属的流失也是资源的浪费。 纳米粒子能对水中的重金属离子通过光电子产生很强的还原能力。如纳 米TiO2能将高氧化态汞、银、铂等贵重金属离子吸附于表面，井将其还 原为细小的金属晶体，既消除了废水的毒性，又回收了贵重金属。
纳米的功能
纳米的功能
纳米材料具有非常广泛的应用领域，这些应用多样化，具有很多不同的功能。
以下将介绍一些常见的纳米材料功能。
首先，纳米材料具有优异的电子特性。
由于纳米材料的电子结构具有量子效应，导致其电子传输能力突出。
这使得纳米材料在制造纳米电子器件方面具有巨大的潜力，如纳米晶体管、纳米电路和纳米传感器等。
其次，纳米材料还具有高强度和韧性。
由于纳米颗粒之间的晶界强化效应，纳米材料比传统材料更具韧性和强度。
因此，纳米材料在制造高强度结构材料方面具有巨大的应用潜力，如航空航天领域的轻质高强度材料。
第三，纳米材料还可以改变光学特性。
纳米颗粒的尺寸和形状决定了它们的光学性质，如吸收、散射和透射特性。
这使得纳米材料在光学器件方面有着广泛的应用潜力，如纳米光伏材料、纳米光学传感器和纳米荧光材料等。
此外，纳米材料还具有独特的化学特性。
由于纳米材料表面的原子和分子具有较高的比表面积，因此与其他物质之间的化学反应更加活跃。
这使得纳米材料在催化剂、气体传感器和储能材料方面有着广泛的应用。
最后，纳米材料还具有自清洁和防腐蚀功能。
纳米材料表面的纳米结构可以通过自洁效应使污染物和灰尘迅速排出，从而保持材料表面的洁净。
同时，纳米材料的抗腐蚀性能也更好，可
以延长材料的使用寿命。
总结来说，纳米材料具有电子特性优异、高强度和韧性、光学特性改变、独特的化学特性、自清洁和防腐蚀等多种功能。
这些功能使得纳米材料在许多领域有着广泛的应用前景，如电子器件、结构材料、光学器件、催化剂和传感器等。
随着纳米科技的不断发展，纳米材料的功能还将不断拓展和创新。
材料科学中的纳米科技与功能材料
材料科学中的纳米科技与功能材料纳米科技是近年来在材料科学领域中迅速发展的一个分支。
由于新材料的开发可以带来各种新特性，纳米材料成为了许多研究的对象。
纳米结构的颗粒是一般物质的一百分之一左右的大小。
此外，材料的表面积是与其特性密切相关的重要指标。
因此，纳米材料在表面积和相对大小上具有显著的差异。
纳米科技的发展趋势是在数学，物理和化学等领域的交叉结合下发展出新材料，新能源和新技术。
一、纳米材料的基本特性纳米材料具有以下一些典型的特性：1.纳米材料可以更好地利用资源。
由于纳米颗粒是一般物质的一百分之一左右的大小，因此可以应用于催化，吸附和储存等方面。
因此，可以更好地用于污染物处理，超级电容器，太阳能电池和锂离子电池等领域。
2.纳米材料的表面积比一般物质大得多。
例如，三维球的表面积是4πr²，而纳米颗粒就是更大的值。
这样，当我们使用纳米颗粒时，表面积也会显著增加。
当我们使用更高的表面积时，它也将显著增加。
3.纳米材料表现出完全不同的化学和物理特性。
例如，当纳米颗粒的大小发生变化时，光的吸收和反射也会发生变化。
同时，物理特性也会发生变化，例如电子的传输或热的扩散。
二、纳米技术在新材料的开发中的应用1.新材料中的纳米材料的制备和应用纳米材料已经应用于实际生产中，例如光催化材料，高效电极材料和向导材料（导电材料）。
在这些应用中，纳米颗粒的特性发挥了极大作用。
2.纳米技术在燃料电池中的应用燃料电池是一种能够直接将化学能转化为电能和热能的电池。
其中，纳米技术的应用已经在燃料电池领域中有所突破。
纳米颗粒的表面积和催化特性显著影响着燃料电池的性能。
通过对纳米粒的表面处理，表面活性可以调节，从而提高纳米颗粒的催化活性，从而提高燃料电池的效率。
3.纳米技术在太阳能电池中的应用太阳能电池是将太阳光能转化为电能的一种技术，其主要原理是利用半导体材料的光电效应进行电子传输。
纳米技术也在纳米材料和太阳能电池技术中发挥了重要作用。
功能纳米材料
功能纳米材料
功能纳米材料是一种具有特殊功能的纳米尺度材料，其在材料科学领域具有广
泛的应用前景。
纳米材料是指至少有一个尺寸在1-100纳米之间的材料，由于其特
殊的尺寸效应、表面效应和量子效应，使得纳米材料具有许多传统材料所不具备的特殊性能和功能。
功能纳米材料的研究与应用已经成为当今材料科学的热点之一。
首先，功能纳米材料在能源领域具有重要应用。
比如，纳米材料可以用于太阳
能电池、燃料电池、储能材料等方面。
由于纳米材料具有较大的比表面积和较好的光电性能，可以大大提高能源转换效率和储能密度，因此在能源领域有着广泛的应用前景。
其次，功能纳米材料在环境领域也具有重要作用。
比如，纳米材料可以用于污
水处理、大气污染治理、环境监测等方面。
由于纳米材料具有较大的比表面积和较好的化学活性，可以高效地吸附、催化、分解污染物，因此在环境领域有着重要的应用前景。
此外，功能纳米材料还在生物医药领域具有重要作用。
比如，纳米材料可以用
于药物传输、肿瘤治疗、生物成像等方面。
由于纳米材料具有较好的生物相容性和靶向性，可以提高药物的生物利用度和降低毒副作用，因此在生物医药领域有着广阔的应用前景。
总之，功能纳米材料具有许多传统材料所不具备的特殊性能和功能，其在能源、环境、生物医药等领域有着广泛的应用前景。
随着纳米材料制备技术的不断进步和纳米材料性能的不断优化，相信功能纳米材料必将在未来发挥越来越重要的作用，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
纳米功能材料
纳米功能材料纳米功能材料是近年来材料科学领域的热门研究方向之一，它是指具有特殊功能和性能的纳米尺度材料。
纳米功能材料的研究和应用对于推动材料科学的发展具有重要意义，同时也在能源、环境、医药等领域具有广泛的应用前景。
首先，纳米功能材料具有独特的物理、化学和生物学特性。
由于其尺寸处于纳米尺度，纳米功能材料的比表面积大大增加，使其表面原子或分子的活性明显增强，从而表现出与传统材料不同的特性。
比如，纳米金属材料具有优异的导电性和导热性，纳米氧化物材料具有优异的光学性能，纳米碳材料具有优异的力学性能等。
这些特性使纳米功能材料在光电子器件、传感器、催化剂等领域展现出巨大的应用潜力。
其次，纳米功能材料在能源领域具有重要应用价值。
随着能源危机的日益加剧，人们对于高效能源材料的需求日益增加。
纳米功能材料由于其独特的结构和性能，在太阳能电池、锂离子电池、燃料电池等能源器件中具有重要应用前景。
例如，纳米结构的二氧化钛材料可以显著提高光电转换效率，纳米碳材料可以显著提高锂离子电池的循环寿命，纳米金属材料可以显著提高燃料电池的催化活性。
因此，纳米功能材料在能源领域的应用将有助于解决能源问题，推动能源领域的可持续发展。
此外，纳米功能材料在医药领域也具有重要意义。
纳米功能材料可以被设计成具有特定功能的纳米药物载体，用于药物的传输、释放和靶向治疗。
比如，纳米载药系统可以提高药物的溶解度和生物利用度，延长药物的血浆半衰期，减少药物的副作用，实现对肿瘤等疾病的精准治疗。
同时，纳米功能材料还可以被设计成具有特定生物相容性和生物活性的医用材料，用于组织工程、医学诊断、医学影像等领域。
因此，纳米功能材料在医药领域的应用将有助于提高医疗水平，改善人类健康。
总之，纳米功能材料具有独特的特性和广泛的应用前景，其研究和应用将对材料科学、能源、环境、医药等领域产生深远影响。
随着纳米技术的不断发展和完善，相信纳米功能材料将会在未来发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展和进步作出更大的贡献。
纳米功能材料
纳米功能材料
纳米功能材料是指在纳米尺度（1-100纳米）下具有特殊的性
质和功能的材料。
由于其特殊的结构和性能，纳米功能材料在许多领域都得到了广泛的应用。
首先，纳米功能材料在电子领域有重要的应用。
纳米材料具有比传统材料更高的导电率和导热率，可以用于制造更小、更快的微电子器件。
此外，纳米功能材料还可以用于制造高效的光电器件，如太阳能电池和光电探测器，以及高分辨率显示屏和光纤通信。
其次，纳米功能材料在医疗诊断和治疗方面有着广泛的应用。
纳米材料可以用于制造高灵敏度的生物传感器和诊断试剂，用于检测并诊断疾病。
此外，纳米材料还可以用于制造纳米药物载体，将药物精确地送达到患者的病变部位，提高药物的疗效和减少副作用。
再次，纳米功能材料在节能环保方面也有广泛的应用。
由于纳米材料具有较大比表面积和丰富的表面活性位点，可以用于制造高效的催化剂，用于制备清洁能源，如氢能源和燃料电池。
此外，纳米功能材料还可以用于制造高效的节能材料，如保温材料和光学材料，提高建筑物的热量和光线利用率。
最后，纳米功能材料在环境污染治理方面也有重要的应用。
纳米材料可以用于制造高效的吸附剂和催化剂，用于去除污染物，如重金属离子和有机污染物。
此外，纳米材料还可以用于制造纳米光催化材料，利用阳光和纳米材料的协同作用来降解有机
污染物。
总之，纳米功能材料由于其特殊的结构和性能，在电子领域、医疗诊断和治疗领域、节能环保领域以及环境污染治理领域都有广泛的应用前景。
随着纳米科技的不断发展和进步，纳米功能材料将会为我们生活带来更多的便利和改善。
纳米功能材料
纳米功能材料纳米功能材料是一种具有特殊功能和性能的材料，其特点是具有纳米级尺寸效应和表面效应。
纳米功能材料的制备方法包括物理法、化学法、生物法等多种途径，其中化学合成是最常用的方法之一。
纳米功能材料具有许多独特的性能和应用，例如在光电器件中的应用、在生物医学领域中的应用、在环境保护中的应用等。
其中，纳米功能材料在光电器件中的应用是其研究的热点之一。
由于纳米材料具有较大的比表面积和较小的尺寸效应，可以有效地提高光电器件的性能，因此受到了广泛的关注。
另外，纳米功能材料在生物医学领域中也具有重要的应用价值。
纳米材料可以作为药物载体，用于药物的输送和释放，同时还可以用于生物成像和诊断。
这些应用为医学诊疗提供了新的途径，有望在肿瘤治疗、疾病诊断等方面发挥重要作用。
此外，纳米功能材料还可以用于环境保护领域。
例如，纳米材料可以被用于污水处理和废气治理，通过其特殊的表面效应和吸附性能，可以有效地去除水中的重金属离子和有机污染物，同时还可以用于废气的净化和处理，减少环境污染。
总的来说，纳米功能材料具有广泛的应用前景，但同时也面临着一些挑战和问题。
例如，纳米材料的生物安全性、环境影响等问题亟待解决。
因此，未来需要进一步加强对纳米功能材料的研究和开发，加强其在各个领域的应用，同时也需要加强对其安全性和环境影响的评估和监测，以推动纳米功能材料的可持续发展和应用。
综上所述，纳米功能材料具有独特的性能和应用，其在光电器件、生物医学和环境保护等领域都具有重要的应用价值。
未来，我们需要加强对纳米功能材料的研究和开发，同时也需要关注其安全性和环境影响，以推动其可持续发展和应用。
材料科学中的纳米材料和功能材料
材料科学中的纳米材料和功能材料驱动现代工业发展的材料科学已经成为了各领域的研究热点，在科技化的今天，工业产品的各种性能要求不断提高，因此新型材料的研究和开发显得尤为重要。
在新型材料中，纳米材料和功能材料是两种备受关注的材料类型。
本文将从纳米材料和功能材料的基本概念、优点和应用领域等方面进行探讨。
一、纳米材料1.什么是纳米材料纳米材料是指颗粒的尺寸在1-100纳米之间的材料，这一级别的尺度属于纳米级别。
纳米材料通常根据其造粒方法和尺寸分为以下两类：一是通过“自下而上”的方法，即从原子或分子的尺度升级到纳米级别，如热力学方法、电化学析氢和化学合成方法等，所得到的纳米材料最常见的有氧化物、金属、半导体和单分子膜等；二是通过“自上而下”的方法，即从宏观物质加工到纳米级别，如惰性气体的减压气相沉积、物理溅射沉积、化学气相沉积和机械球磨等，所得到的纳米材料有金属粉末、陶瓷、非晶态金属合金和纤维等。
2.纳米材料的优点纳米级别的材料在物理、化学和生物上的特性比其它尺度的材料具有更为优异的性能，纳米级别的材料通常表现为材料体积更小，表面积更大的质量特性，这种质量特性赋予纳米材料在有机、无机、电磁和生物等领域的广泛应用。
纳米材料的主要优点包括以下三个方面：(1)在物理学中，纳米材料具有特殊的物理性质，比如磁、光、声等性质。
由于小尺寸将粒子的视为没有质量，粒子运动性质与量子力学耦合，因此纳米材料在光、物理和化学上的特性会发生显著的变化。
(2)在化学上，纳米材料具有较高的比表面积，这使得分离、催化、吸附、化学反应和生物相互作用等表现出特异性。
此外，由于表面吸附、共振跃迁和分子分散等现象，纳米材料还表现出一些独特的光电化学性质。
(3)在生物医学领域中，纳米材料已被广泛应用于治疗、诊断和药物运输等方面，具有广阔的前景。
二、功能材料1.什么是功能材料功能材料是指具有特殊功能和特性的材料。
它们能够响应外部刺激，以达到特定的目标性质，比如机械和电子性能、光学、磁性和生物医学特性等。
材料科学中的纳米结构和功能材料
材料科学中的纳米结构和功能材料材料科学在现代工业中扮演着非常重要的角色。
不同的材料具有不同的物理和化学性质，因此可以根据需要来选择材料。
近年来，材料科学中的研究重点已经由大型宏观材料转移到了纳米结构和功能材料。
本篇文章将介绍材料科学中的纳米结构和功能材料的基础知识以及研究进展。
一、什么是纳米结构纳米结构通常是指尺寸小于100纳米的材料。
根据纳米结构的形状和组成，它们可以具有不同的物理和化学性质。
例如，比起宏观物质，纳米颗粒的比表面积更大，因此具有更强的表面反应性。
此外，纳米结构的特殊大小也会导致它们的光学、电学、磁学和机械性质不同于宏观材料。
这些具有特殊性质的材料被称为“纳米材料”。
二、纳米结构的制备方法纳米结构的制备方法有很多种。
下面列举其中几种制备方法。
1.气相沉积法气相沉积法是一种通过高温下沉积气体分子来制备纳米颗粒的方法。
通常，气相沉积法可以分为热蒸发法、热滴 deposition 法和化学气相沉积法。
通过气相沉积法可以制备出成规模的高质量纳米颗粒。
2.溶液法溶液法是一种通过化学和物理反应来制备纳米结构的方法。
通常，这种方法涉及两个化学反应。
首先，起始材料（通常是金属盐或金属氧化物）溶于溶剂中。
随后，将一种还原剂加入溶液中，通常是一种强还原剂，以将起始材料还原成金属颗粒。
3.电化学合成电化学合成是一种制备纳米结构的方法，在这种方法中，金属离子会在电极表面被还原成金属颗粒。
这种方法非常灵活，可以通过控制电位和沉积时间来得到不同形状和组成的纳米颗粒。
三、功能材料功能材料是指具有特殊功能的材料，例如具有比常规材料更好的导电、光学或机械性能的材料。
功能材料可以分为多种类型，以下是其中几种。
1.半导体材料半导体材料被广泛用于电子学和光电学领域。
这种材料可以将电的传导性质的调节在导体和绝缘体之间，这种特性使半导体材料广泛应用于电子元件和光电器件中。
2.光电材料光电材料集导电、光学和电学特性于一身。
这种材料可以将光能转换为电能，或将电能转换为光能，因此可以用于制造太阳能电池、荧光灯等电子器件。
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量子输运对电导的影响
— 隧道传导Tunneling conduction
Log / -1 cm-1
-14
C16
Al / 7Cn / Al
-15 C18
-16
C20 -17
C22
-18
25
30
35
d/Å
当脂肪酸单层厚度从C14变化到C23 时，自组装单层的隧穿电导随分子 长度或膜厚度的变化关系，表明电 导随绝缘层厚度增加而呈幂次减小
性能要求：耐磨、耐电、抗粘接、化学稳定性好、接触电阻小等 种类：
传统贵金属：Pd（钯）、 Pt（铂）、Ru（钌）、Ag（银）、Au（金）、等 复合材料：
（1）碳纤维增强Cu基复合材料
优点：接触电阻小，导热快可避免过热现象；增加强度、过载电流；优良的润 滑性和耐磨性。 实例：用于电车导电弓架的滑履（日本），早期采用金属滑板，后改为碳滑板。
应用：复合性导电高分子材料的应用日趋广泛，在电子、电气、石油化工、机械、 照相、军火工业等领域，用于包装、保温、密封、集成电路材料等。 （一）防止静电 （静电损耗复合材料）
普通高分子材料在加工和使用过程中，静电现象十分严重，在某些情况下，不但会影 响材料的使用性能，甚至还会造成危害，如降低感光胶片的使用性能；塑料包装材料的静 电吸尘，降低了商品价值；易燃、易爆环境使用的各种塑料制品和电子产品，由于静电引 起的火花爆炸及燃烧。所有这些都应该采用导电复合、材料，以提高材料的静电能力。
纳米结构和材料的电导
纳米结构和纳米材料电导的 4 种机制： ➢ 表面（包括晶界）的散射 ➢ 电子结构变化（带隙宽化和分立） ➢ 量子输运（包括弹道传导和库仑带电） ➢ 微结构改变
另外，纳米结构完整性的提高，即杂质、结构缺陷和位错的减少， 将影响纳米结构和材料的电导
薄电介质的隧道效应是伴随纳米或亚纳米尺度的另一种电现象
➢ 单晶Bi纳米线，在直径 ~52 nm时经历从金属到半导体的转变；
➢ 直径为 ~40 nm 的Bi纳米线，其电阻随温度的降低而减小； ➢ 直径为17.6nm的GaN纳米线依然是半导体，而 ~15nm 的Si纳米线已经变 为绝缘体。
量子输运对电导的影响
— 弹道传导 Ballistic conduction
薄膜电阻率 vs. 厚度 vs. 温度
Co/Si薄膜的制备条件：
➢ 高真空，Co沉积于原子级清洁 硅基体表面，外延生长成膜；
➢ 热处理促进硅化钴形成；
电
厚度
➢ 化学计量严格控制，薄膜和基
阻 率
体界面趋于原子级完整；
➢ 外表面非常光滑。
温度
硅基体上外延生长Co薄膜的膜厚相
关电阻率随温度的变化关系。
第二节 导电复合材料
主要是指复合型导电高分子材料，是将聚合物与各种导电物质通过一定的复合
方式构成。长期以来，高分子材料通常是作为绝缘材料在电气工业、安装工程、通
讯工程等方面广泛使用。
种类：包括导电塑料、导电橡胶、导电涂料、导电纤维和导电胶粘剂等
成型加工方法：
表面导电膜形成法 可以用导电涂料蒸镀金属或金属氧化物膜，也可以采用金属热喷涂、湿法镀层等形成表面 导电膜。例如，聚酯薄膜上蒸镀金、铂或氧化铟等制成透明的导电性薄膜。
（二）新型屏蔽材料 （电磁屏蔽） 所谓对电磁波的屏蔽作用是指限制电磁波的能量由材料的一面向另一面传递，
使用磁场强度或辐射强度降低，其屏蔽效果用电磁波衰减的分贝值dB表示，每衰 减10dB，表示电磁波强度下降一个数量级。目前在塑料中填加金属箔片和金属纤 维，是制造电磁波屏蔽用导电塑料的主要方法。
由于电子、通讯、信息技术的迅速发展，无限电射频干扰（信号干扰）不可 避免，对屏蔽和隐身材料提出了更高的要求。铁氧体具有吸收电磁波的特性，但 其加工工艺限制了它的应用，如果把铁氧体粉末与树脂复合物则可用热压方法制 成各种形状的屏蔽零件或用涂敷的方法制成表面吸收涂层以满足需要。
极大的荷电能量的状况下
（A）STM针尖放置在吸附于Au-云母基体上 （插图）的单个团簇上，83 K时的库仑阶梯IV曲线；电势为针尖-基体之间的偏压；双隧道 结等效回路给出电容Cupper = 0.59 aF和Clower = 0.48 aF （B）2:1甲苯:乙腈/0.05 M HX4NClO4中0.1 mM 28kDa团簇溶液的伏安曲线（CV −，100 mV/s；DPV →，为电流峰，20 mV/s，25 mV脉冲，顶端、底部分别为负、正扫描）， 7.9 × 10−3 cm2 Pt电极，298 K，Ag线赝参 比电极
弹道传导发生在导体长度小于电子 平均自由程，在传导过程中没有能
量的消散，并且没有弹性散射
Hale Waihona Puke （A）纳米管的接触电导随时间变化关系，这是将纳米管以恒定 速率向水银中放入和取出而完成，运动周期2s、位移∆z = ±2.5 µm。对于~2 µm的浸渍深度，电导跃至~1 G0然后保持常数。 然后运动转向相反方向，进入2 µm后接触被中断。反复循环以 表现可重复性；以循环201到203作为例子来表现 （B）以全部250个通道电导数据依次表现的柱状图。在1 G0和 0处的平台产生柱状图中的峰。峰底相对面积对应相对平台长度。 因为整个位移已知，因此平台长度可以精确确定；此时，1 G0 平台对应1880 nm的位移。这样确定的平台长度对于液态水平 的无规振动不敏感，因而比单个通道的测量更为精确 （C）每个纳米管通道与2个主平台接触，而其又有1个次级预台 阶。这个通道解释为一个纳米管与第二个形成管束的结果。第 二个纳米管在第一个纳米管之后与金属接触~200 nm。通常观 察到具有非整数电导的较短平台（从~10到50 nm长），这解释 为来源于纳米管尖端。这种效应以清晰的例子表现在（D）中
[R.S. Ingram, M.J. Hostetler, R.W. Murray, T.G. Schaaff, J.T. Khoury, R.L. Whetten, T.P. Bigioni, D.K. Guthrie, and P.N. First, J. Am. Chem. Soc. 119, 9279 (1997).]
维 电 导 率
越好，导电性越高； 合成温度越低，聚合
物分子排列越好
纤维直径
杂环纤维的电导和直径的关系
[Z. Cai, J. Lei, W. Liang, V. Menon, and C.R. Martin, Chem. Mater. 3, 960 (1991).]
第一节 电接触功能复合材料
电接触材料（包括Ag基电接触材料、Cu基电接触材料）是电工合金的关键功能材料，
用于高、低压开关触头，其性能直接影响到发电装备和输变电装备的技术水平。 Ag基电触头普遍应用于各种低压电器，是低压电器的核心元件，广泛用于配电系统、 家电、交通和控制机械设备中。
应用：在电气、电子领域，电接触材料主要用作电触点、导电刷、集电环、换向片、
整流片和接插件等，是电通断环节中重要的功能性元件。采用电接触元件的电机、电 气开关、继电器、接插件等作为基础件在信息工程、家用电子电器、汽车工程等领域 大量使用。这些电接触元件的性能直接影响所应用产品及整个系统的可靠性、稳定性、 精度及使用寿命。
（2）Ag基复合材料（含固体润滑剂） 制备方法：粉末冶金法。其中润滑剂为MoS2、NbSe2、石墨。 组成：典型产品Ag-12MoS2-3C、Ag-15NbSe2-3C、Ag-20C-5MoS2、Ag-50C （质量分数） 实例：用于宇宙飞船的真空条件下工作的长寿命滑环和电刷材料。
（二）开关电接触复合材料：Ag基复合材料为主
[K. Ozawa, Y. Sakka, and M. Amano, J. Sol-Gel Sci. Technol. 19, 595 (2000).]
电子结构对电导的影响
— 量子尺寸效应
当纳米结构特征尺寸小于临界尺寸（即电子的德布罗意波长），将 导致电子结构的变化，出现带隙的宽化和分立。
不仅对光性产生影响，对电性也有非常大的影响： 金属纳米线直径小于特定值时，会转变为半导体；而半导体会转变为 绝缘体。这种变化部分归因于量子尺寸效应。
第三章 纳米电功能材料
第一节 电接触复合材料 第二节 导电复合材料 第三节 压电复合材料 第四节 超导材料 第五节 介电材料
纳米材料的物理性能
纳米材料的物理性能改变的几种机制：（1）大表面原子数比，（2）大表 面能，（3）空间限域，（4）非完整性的降低。
具体实例：
➢ 纳米材料由于具有大的表面原子数比，可以具有很低的熔点、相转变温度、 略微减小的晶格常数。 ➢ 纳米材料机械性能可达到理论强度，比块体单晶的强度高1~2个数量级。 ➢ 纳米材料光学性能，半导体纳米粒子的光吸收峰，由于带隙宽度增大而向短 波方向移动。金属纳米粒子颜色由于表面等离子基元而随尺寸变化。 ➢ 纳米材料由于增加的表面散射，电导率随尺寸而减小。但如果较好地排列， 电导也可以提高，如在聚合物小纤维中。 ➢ 纳米结构材料的磁性，表面能的存在，块体材料的铁磁性转变为纳米材料的 超顺磁性。 ➢ 自净化是纳米材料的内在动力学性质。热处理可提高杂质、内部缺陷和位错 的扩散，容易将它们推向表面附近。对化学和物理性质有明显的影响。
[J.C. Hensel, R.T. Tung, J.M. Poate, and F.C. Unterwald, Phys. Rev. Lett. 54, 1840 (1985).]
多晶材料电阻率
— 晶界的影响
Proton conductivity (Scm-1)
10-3
质
10-4
子
传
导
率
10-5
导电填料分散法 是目前生产导电高分子材料的主要方法，可用于制造各种导电高分子材料。导电材料过去 常用碳黑，现在多采用碳纤维、石墨纤维、金属粉、金属纤维及碎片、镀金属的玻璃纤维 及其他各种新型导电材料。
导电材料层积复合法 是将碳纤维毡、金属丝、片、带等导电层与塑料基体层叠压在一起制成的导电塑料。采用 的金属丝、片、带主要有钢、铝、铜和不锈钢。复合导电塑料采用的基体树脂范围相当广 泛，常用的有：ABS、PE、EVA、PA、PC、PP、PET、POM，以及改性的PPO、PBT、PVC，掺 和物PC/ABS等。