第五章 纳米结构材料
第五章一维纳米纳米结构单元全
Kroto 研究小组获得的碳原子团簇的质谱图
C60
C70
C60具有什么样的结构呢？ 金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子，C60和C70是有固定碳原子数的有限分子，它们应该具有不同的结构。 克罗托想起美国建筑师巴克明斯特·富勒BuckminsterFuller为1967年蒙特利尔世博会设计的网络球主体建筑，由五边形和六边形构成的圆穹屋顶。 富勒曾对克罗托等人启发说：“C60分子可能是球形多面体结构”。
CNT - Fabrication - how to
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Single-wall nanotubes are produced in a gas-phase process by catalytic disproportionation of CO on iron particles. Iron is in the form of iron pentacarbonyl. Adding 25% hydrogen increases the SWNT yield. The synthesis is performed at 1100 C at atmospheric pressure.
A laser is aimed at a block of graphite, vaporizing the graphite. Contact with a cooled cooper collector causes the carbon atoms to be deposited in the form of nanotubes. The nanotube "felt" can then be harvested
有序纳米结构及其应用 ppt课件
无需掩模版 波长更短 电磁透镜聚焦
速度极慢 电子散射造成 邻近效应
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目前的发展趋势：电子束刻蚀与光学光刻的混合匹配曝光技术 即电路的大部分工艺由光学光刻完成，超精细图形由电子束光 刻完成。
电子束光刻一般用于制作高精度掩模
线宽分别为100 nm和12 nm的纳米线条、规则的六角图案。
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5.1.3.2 紫外压印技术
紫外压印对环境要求更低，仅在室温和低压力下就可进行，从 而使该技术大大缩短生产周期，同时减小印章磨损。
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5.1.3.3 微接触印刷(μCP)
微接触印刷：弹性模板结合自组装单分子层技术。
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NIL技术除具有操作简单的优点之外，还具有一个突出的优点， 就是可以采用层层压印的方式获得三维有序纳米结构。
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定域刻蚀就是利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片 表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄 层图形完全一致的图形。
经连续化的图形化、显影、腐蚀和沉积许多不同的工序就可以
制造复杂的集成电路。
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光刻技术有两个重要的指标：分辨率和焦深。
分辨率表示能分辨的最小线宽； 光学光刻的分辨率决定了芯片技术： 工艺简单 成本低 适合大规模生产 颇有发展前景
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5.1.4.2 基于扫描探针显微镜( SPM) 的纳米刻蚀技术
原理：通过显微镜的探针与样品表面原子相互作用来操纵试件表 面的单个原子，实现单个原子和分子的搬迁、去除、增添和原子 排列重组，即原子级的精加工。
根据瑞利定律：R=k1λ/NA ，D=k2λ/(NA)2 R为分辨率，D为焦深，λ为曝光波长； NA为数值孔径，由成像系统决定，k1和k2是与系统有关的常数。
新型纳米结构材料的研发及应用
新型纳米结构材料的研发及应用一、纳米结构材料的概述纳米结构材料是由自然和人工合成的材料以纳米级别的尺寸限制维度而制造的一种材料。
通常情况下，纳米级别的材料结构比其宏观尺寸的标准相应属性有极大的差别。
纳米结构材料拥有药物、生物传感、光学和电子学领域的显着应用价值。
二、纳米结构材料的研发纳米结构材料的研发需要多门学科知识的交叉融合，化学、物理、材料科学等学科在其中都有重要的作用。
研究纳米结构材料需要一个先进的研究器材的支持。
因为其尺寸小，成像设备的分辨率要高过纳米级别，这让研究人员在想要深入研究纳米结构材料时面临了较高的难度，这样的扫描仪需要高度能精准分辨微小的差别，尤其是在空间方向上的差异。
在尝试制造纳米材料时，由机械锤的磨砂机也能实现纳米尺寸的制造，但不止一次地表明这些物质实际上是由一群放大后的原子到微观尺度上的集合体。
这是因为当更大和重的元素结合成几何结构时，使得晶格变大，就必须添加更多原子来占据更多位置才能保持几何形状，而这就意味着这个物质的扩散范围变得更大。
这会导致制造工具内的没有受到控制的重组。
三、纳米结构材料的性质剪切强度：由于其细小的尺寸和加工能力的限制，纳米结构材料的剪切强度会相对较弱。
高的比表面积：由于尺寸小，纳米结构材料的比表面积比同种材料在微观尺度的标准相应材料高十倍以上，这也导致了更为复杂的表面现象高的化学反应性：由于更高的比表面积和更丰富的表面现象，纳米级别的材料通常比其相应宏观尺寸的材料具有更高的化学反应活性。
这种化学反应的性质使得纳米结构材料具有广泛的应用前景。
四、纳米结构材料的应用1、药物领域由于其更强的表面反应性和更小的尺寸尺度（纳米尺度），纳米结构材料能够有效的运输药物至腹道，血液和大脑组织内。
这让纳米结构材料成为一个有效的药物输送载体，并极大的有助于缓慢释放其中的活性成分。
2、生物传感领域纳米结构材料的拓扑结构和表面化学性质产生了与生物体相似的特征。
这种类似度为新型生物传感器的研发提供了一个重要依据。
纳米结构材料的研究进展与应用
纳米结构材料的研究进展与应用随着新材料科学的不断发展，纳米结构材料在材料科学领域中日渐成为焦点。
纳米结构材料是指一些具有纳米结构的材料，如纳米晶、纳米线、碳纳米管等。
这些材料具有很小的尺寸，从而表现出许多独特的物理、化学和生物学特性，使其在许多领域中都得到了广泛的应用。
本文将简要介绍纳米结构材料的研究进展和应用。
一、研究进展纳米结构材料的研究起源于20世纪80年代初，当时科学家发现了一种称为“簇”（cluster）的新型物质，这种物质由几个原子组成，具有许多纳米尺寸的特性。
随后，人们又发现了纳米水晶，碳纳米管等纳米材料。
在纳米结构材料的制备上，目前主要的方法有：化学路线、物理路线以及生物合成路线。
化学路线包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等；物理路线则包括溅射、化学气相沉积等，生物合成路线则利用微生物等生物中介的方法，形成纳米结构材料。
二、应用领域(1) 纳米电子学纳米晶是纳米结构材料中比较重要的一种，它具有优异的光学、电学、化学性质，可用于制备高效的光电器件和电子器件。
纳米晶的应用已经渗透到了诸如振荡器、滤波器、硅绝缘体、发光器、激光场效应管和QDC（单量子点器件）等超小型电子器件和传感器中。
(2) 纳米生物学纳米结构材料在生物领域中的应用也越来越广泛。
生物保健材料、生物医学材料等，如纳米水凝胶材料、金属纳米材料、二氧化钛纳米粒子等已经被开发出来。
其中最有前途的是利用具有特殊物理化学标记的纳米材料来对生物标本等进行标记检测，从而实现对生物体内分子的瞬间捕捉。
(3) 纳米材料在能源领域的应用纳米材料在能源领域中有着广泛的应用，如太阳能电池、燃料电池等。
在太阳能电池方面，利用纳米晶制成的太阳能电池比传统晶体硅等晶体太阳能电池要轻、薄、短，具有更高的太阳能转换效率。
在燃料电池方面，纳米材料具有电子传导速度快、反应速率高、化学稳定性高等优点，使其有望得到更广泛的应用。
(4) 纳米材料在环保领域的应用纳米材料在环保领域的应用也非常广泛。
第五章 纳米结构材@@@@
纳米结构材料，又称纳米固体材料。 它是由颗粒或晶粒尺寸为1-100nm 的粒子凝聚而成的三维块体。
5.1 纳米结构材料结构特征及研究方法
纳米固体材料的基本构成是纳米微粒加上 它们之间的界面。由于纳米粒子尺寸小， 界面所占体积分数几乎可与纳米微粒所占 体积分数相比拟。因此纳米固体材料的界 面不能简单地看成是一种缺陷，它已成为 纳米固体材料基本构成之一，对其性能的 影响起着举足轻重的作用。
②、间 隙 原 子
质点进入间隙位置成为间隙原子。
③、杂 质 原 子
杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或 加入，一般不大于1％，）。
间隙位置—间隙杂质原子
固
进入 正常结点—取代（置换）
溶 体
杂质原子。
４、原 子错位
指固体化合物中部分原子相互错位，即对 化合物MX而言，M原子占据了X原子的位置 或X原子占据了M原子的位置。
补充 从结构上可把固体物质分作三大类
１、晶体 ２、非晶体 ３、准晶体
5
晶体的微观结构高度有序，即组成晶体的原 子、分子或离子在空间规律性地呈现三维周期性 的长程有序排列，形成周期结构----点阵结构。
因此可以用晶体中的基本结构单元----晶胞来 描述晶体的微观对称性。
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晶体格子构造的特点是具有周期性、长程有 序性以及平移对称性等。
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Al----Mn合金正二十面体结构示意图 Mn原子位于二十面体中心，Al原子占据其周围12个 顶点形成20个正三角形构成的二十面体。
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由于合金中Mn与Al的 原子比为1:6 ，故Al原子为 两个相邻的Fra bibliotek十面体所共有。
正是由于这个共同的Al原子，使晶粒中所有 的二十面体取向有序，但长程平移无序，出现所 谓的准周期性。
纳米结构材料的制备及其应用
纳米结构材料的制备及其应用随着科技的不断发展，纳米材料的研究和应用也越来越广泛。
纳米结构材料，简称纳米材料，是指至少在一个维度上具有尺寸小于100纳米的材料。
纳米结构材料具有较大的比表面积、独特的物理和化学性质以及优异的机械性能，使得它们在多个领域具有广泛的应用前景。
一、纳米结构材料的制备方法1. 碳纳米管的制备碳纳米管是一种具有优异性能的纳米材料，它在电子学、储能、生物医学等领域有着广泛的应用。
碳纳米管的制备方法主要包括化学气相沉积、物理气相沉积和电化学沉积等。
2. 金属和合金纳米颗粒的制备金属和合金纳米颗粒是一类重要的纳米材料，具有广泛的应用前景。
常用的制备方法包括化学还原、气相沉积、溶胶-凝胶法、电化学方法等。
3. 二维材料的制备二维材料是指在一个方向上具有纳米尺度的材料，如石墨烯、硫化钼等。
二维材料具有独特的物理和化学性质，有着广泛的应用前景。
制备方法包括机械剥离、化学气相沉积、物理气相沉积等。
二、纳米结构材料的应用领域1. 电子学领域纳米材料在电子学领域的应用主要包括纳米电路的制备和纳米传感器的制备。
纳米材料的小尺寸和高表面积使得电路更为稳定，而纳米传感器的灵敏度和快速响应时间也可以得到保障。
2. 能源领域纳米材料在能源领域的应用主要包括锂离子电池、超级电容器和太阳能电池等。
纳米材料的高比表面积和小尺寸使其具有更好的电化学性能和更快的电子传输速度。
3. 生物医学领域纳米材料在生物医学领域的应用主要包括药物输送和成像等方面。
纳米材料作为药物传递系统可以在体内运输和释放药物，并减少药物的毒副作用。
而在成像方面，纳米材料作为对比剂能够提高成像的分辨率和对比度。
4. 环境领域纳米材料在环境领域的应用主要包括清除水污染、治理大气污染等。
纳米材料作为吸附剂可以去除废水中的有害物质，而其小尺寸也可以提高污染物的分散度和吸附量。
三、纳米结构材料面临的挑战纳米结构材料的应用前景广阔，但同时也面临着一些挑战。
纳米材料学简明教程(汪信)第五章 纳米材料超分子化学
膜转移到其他基片上。
•
ngmuir
•
谈到单分子薄膜，
首先当属LB膜(Langmuir
分子的分子量可高达数千，但它又不同于普通的大分子，这种配
合物分子不仅自身的整体尺寸在纳米尺度范围内，而且一般都具
有规则的几何构形。
4.3一些重要的超分子结构 4.3.1 无机化合物的自组装
• 4.3.1.3 配合物
•
右图总结和归纳了具
有三角形、矩形等多边形配合
物的设计模式，这些配合物组
装设计的基本构思是，充分利
4.2 自组装的概念
• 右图所示多环圆盘状纳米结构 的形成，这种ZrO2多环圆盘状纳米 结构自组装条件也是较为复杂的， 包括：氧化物种类的选择，ZrO2的 层结构比其他氧化物具有更好的韧 性，弯曲时不易断裂；前躯体及其 浓度、反应温度、反应器皿等的选 择，涉及热力学、动力学的控制； 表面活性剂及其浓度、反应体系pH 的选择，这不仅涉及热力学、动力 学的控制，还是自组装过程实现的 核心条件。在这里，使用的表面活 性剂为SDS，即十二烷基硫酸钠 （C12H25OSO3Na）或十二烷基 磺酸钠（C12H25SO3Na），组装 过程在强酸环境下进行。组装过程 中，SDS扮演着两种模板角色，首 先模板1为SDS的圆盘状胶束，它 决定了整个组装体结构中圆心的形 成，这也是自组装过程的第一步， 组装在水相中进行，圆盘状胶束的 亲水基团（—SO3—， 带负电荷） 位于胶束的外围。
4.纳米材料超分子化学
•
超分子化学作为近代
化学的重要分支，近二、三十
年来发展迅速，与此同时，超
分子化学与纳米材料研究相互
结合，相互促进，共同发展。
这里将侧重介绍纳米材料研究
中涉及的部分无机化合物、有
第五章 纳米固体材料的微观结构
5.4.1
位错
位错：晶体滑移时，已滑移部分与未滑移部分在滑 移面上的分界。它是一种“线缺陷”。基本形式有 两种：滑移方向与位错线垂直的称为“刃型位错”； 滑移方向与位错线平行的称为“螺型位错”。
20 世纪 90 年代有不少人用高分辨电镜分别在纳米 Pd中已经观察到了位错、孪晶、位错网络。图 8.34 示出了纳米Pd晶体中的位错和孪晶的高分辨像。
空位团主要分布在三叉晶界上。它的形成一部
分可归结为单空位的扩散凝聚，也有一部分在压制 成块状试样时形成的。 空洞一般处于晶界上。空洞存在的数量（空洞 率）决定了纳米材料的致密程度。
纳米固体材料的构成：
纳米微粒 纳米微粒之间的分界面(界面)
界面组元与颗粒组元体积之比：
3 R d
如果为立方体 界面厚度：1nm 颗粒直径：5nm
界面体积分数：
3 Ci 50% d
单位体积的界面体积分数：
Ci 2 3 Si 500m cm
单位体积的界面数：
Ni Si D2 2 1019 / cm3
纳 米 固 体 界 面 的 结 构 模 型
类气态模型
纳米微晶界面内原子排列既没有 长程序，又没有短程序，是一种 类气态的，无序程度很高的结构。
有序模型
纳米材料的界面原子排列是有序的。
结构特征 分布模型
纳米结构材料的界面并不是具有 单一的同样的结构，界面结构是 多种多样的。
第五章
纳米固体材料的微观结构
缺陷是指实际晶体结构中和理想的点阵结构发 生偏差的区域。按照缺陷在空间分布的情况，晶体 中的缺陷可以分为以下三类。
(1) 点缺陷：包括空位、溶质原子（替代式和间隙式）
和杂质原子等。 (2) 线缺陷：位错是这一缺陷类型的主要代表。按照 位错性质划分，位错可分为成刃型，螺型和混合型。 (3) 面缺陷：包括层错，相界、晶界、孪晶面等。
纳米科技概论-第五章-纳米药物与载体
世界上最小的马达，由78个原子构成（4年的时间）
美国康纳尔大学：纳米直升机 利用ATP酶为分子马达的一种可以进入人体细胞
的纳米机电设备。 生物分子组件将人体的生物燃料ATP转化为机械
每公斤近1亿美元，相当于黄金的1万倍。
6. 细胞器－纳米微型机器
尺寸小于10纳米的超细微粒可以在血管中自由移动。 微型医用机器人：多层聚合物
外型类似人的手臂，希望能在血液、尿液和细胞 介质中工作，可捕捉和移动单个细胞。
机器人进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血 管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可以吞 噬病毒，杀死癌细胞。
缺点： 1）载药量低，贮存不稳定，如：凝胶化、 粒径增大、药物泄漏等 2）存在多种胶体结构 3）呈现爆发释放模式
2.6 智能化纳米药物传输系统
• 由智能材料（smart）载体和药物组成，
通过对温度、pH值以及光、电、磁等的 改变来控制材料的性质发生变化， 进而 控制药物的释放。
纳米药物及载体
1
•
纳米仿生材料在生物医学领域的应用
• 纳米陶瓷材料用于人工骨关节、牙齿修复、耳骨修复等，
其强度、韧性、硬度以及超塑性都有显著提高。
• 新型纳米抗炎敷料，表面结构发生根本性变化，面积显
著增大，杀菌效果增加百倍以上。
• 利用纳米技术的DNA复制与自我生长、自我制造机理，
可研制出有生物相容性的各种人体器官和骨骼修复剂与 自生长材料、人血代用品等。
纳米材料与口腔疾病治疗
(1) 纳米材料与口腔颌面骨缺损治疗
纳米HAp：比表面大，陶瓷韧性极佳源自纳米HAp与聚酰胺，纳米磷酸钙/胶原复合人
有序纳米结构及其应用(共54张PPT)
带电的，所以粒子之间存在静电斥力 这些微结构大都在纳米尺度范围内，可为化学反响提供特殊的微环境，即可以作为微反响器，也可以起到模板的作用
人为利用自组装技术合成材料仅有20年的历史。 外表活性剂分子的自组装
材料学院8
从粒子的负电性考虑，一般将固体的结合分为 五种根本类型，即离子结合、共价键结合、金属结 合、分子结合和氢键结合。
离子晶体一般由负电性相差较大的两个元 素结合而成，它们之间的作用力是正负离子的静电 库仑作用，具有可加性，因而结合能很大，大约 150kcal/mol；共价结合靠两个原子各奉献相同的电 子，形成共用电子对，由于电荷量加倍，因此自旋 相反配对两个原子核的吸引力加强，这种结合所释 放的结合能也很多(大约150kcal/mol)共价结合具有 方向性和饱和性，因而不具有可加性。金属结合是 靠共有 材料学院9 化电子与离子实之间的库仑相互作用结合起
材料学院14
外表活性剂分子的自组装
材料学院15
外表活性剂的结构
❖外表活性剂：头部至少有一个亲水性基团，尾部有 一个疏水性基团，低浓度下，可吸附在外表或界面 上来降低外表能
图5-18 外表活性剂分子的结构示意图
材料学院16
外表活性剂分子的分类
水溶性外表活性剂
按溶解性 油溶性外表活性剂
按在水中是否 离子型外表活性剂
材料学院24
图5-21 微乳液法自组装BaMoO4纳米带的TEM照片
利用范德华力自组装
材料学院25
❖利用范德华力将一种或两种不同材料、不同粒 度的纳米微粒组装在一起，可分别形成一元或 二元晶体〔BNSL〕结构
❖自组装过程的推动力是纳米粒子堆积密度的 最大化，这与范德华力结合的本质是一致的
纳米结构材料的模板合成技术
纳米结构材料的模板合成技术纳米结构材料是指具有纳米级别尺寸效应的材料，其具有特殊的电子、光学、力学和热学性能，广泛应用于太阳能电池、传感器、电子器件、催化剂等领域。
目前，制备纳米结构材料的方法已经非常多样化，其中一种重要的方法就是模板合成技术，该技术通过选用具有特定形状、尺寸和表面性质的模板，控制反应物在模板内部或表面的反应过程，从而获得不同形式的纳米结构材料。
以下是模板合成技术的详细介绍。
一、模板合成技术的分类模板合成技术可以分为硬模板法、软模板法和自组装模板法三种。
1. 硬模板法硬模板法是利用具有亚微米结构的硬质模板，在模板孔道内化学反应形成纳米材料。
该方法可以制备具有规则形态的纳米结构，但需要精密的模板制备技术和繁琐的模板移除步骤。
软模板法是在有机相中制成高分子聚合物微球，然后将反应物加入其中，在模板孔道内反应制备纳米材料。
该方法具有较大的柔性，可以获得具有多孔、孔径可调的纳米结构材料。
自组装模板法是利用特定的分子或离子在水或有机溶液中自组装形成纳米结构，在其表面或内部形成纳米粒子。
该方法具有简单、易于操作和低成本等优点。
模板合成技术已经被广泛应用于不同领域，如催化剂、传感器、电池材料等，以下是其中几个应用领域的案例。
1. 催化剂通过模板合成技术可以制备出具有规则纳米孔道的催化剂，拥有更好的选择性和活性，例如利用介孔二氧化硅作为模板，可以制备具有规则孔道的催化剂。
2. 传感器传感器是通过检测物质的特定功能特征实现检测作用的，通过模板合成技术可以制备高灵敏度和选择性的传感器。
例如利用聚合物微球作为模板，制备出具有特定结构的纳米材料，作为传感器的灵敏材料，可以提高传感器的检测能力。
3. 电池材料模板合成技术也可以用于生产高性能的电池材料，例如通过模板合成技术可以制备出具有三维多孔网络结构的电池正负极，可以改善电极材料对离子输运的性能，从而提高电池的功率密度和循环寿命。
三、模板合成技术的局限性和未来发展方向尽管模板合成技术已经取得了很大的成功，但该技术仍然存在一些挑战和局限性。
纳米结构材料
纳米结构材料
纳米结构材料是一种具有特殊微观结构的材料，其特点是至少在一个空间方向
上具有纳米尺度的结构特征。
纳米结构材料通常具有独特的物理、化学和力学性能，因此在材料科学领域具有广泛的应用前景。
首先，纳米结构材料具有较大的比表面积。
由于其微观结构的特殊性，纳米结
构材料的比表面积通常远大于传统材料。
这使得纳米结构材料在催化剂、吸附剂等领域具有独特的优势，能够更有效地与其他物质发生作用，提高反应速率和效率。
其次，纳米结构材料具有优异的力学性能。
由于纳米结构材料的微观结构尺度
接近原子尺度，其内部结构通常具有较高的强度和硬度。
这使得纳米结构材料在材料增强、耐磨耐腐蚀等方面具有独特的应用前景，可以用于制备高强度、高韧性的材料。
此外，纳米结构材料还具有特殊的光学和电学性能。
纳米结构材料的微观结构
能够对光和电的传播产生显著影响，因此在光电子器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。
例如，纳米结构材料在太阳能电池、光催化等方面的应用已经取得了显著的进展。
总的来说，纳米结构材料是一种具有特殊微观结构和优异性能的材料，其在催
化剂、材料增强、光电子器件等领域具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，纳米结构材料必将在材料科学领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
第五章 纳米材料在电子信息领域的应用-2
5.2.1 材料的磁学性能 基本概念：磁矩和磁化强度
磁矩：表征磁性物体磁性大小的物理量。指环形回路中
电流强度I与该回路所包围的面积S的乘积，用μ 表示。磁矩只 与物体本身有关。磁矩越大，磁性越强，物体在磁场中所受的 力也越大。
物质的磁性来源：电子的运动、原子和电子内部的永久磁矩。
原子的磁矩主要由电子造成：轨道磁矩 + 自旋磁矩
随着纳米科技的快速发展，不论是何种磁记录材料， 其颗粒尺寸或薄膜厚度都逐渐进入纳米尺寸范围，其单 位比特每平方微米的记录位面积随年代而迅速减小。而 发展新的磁记录材料也将是一个重要的磁学问题。
我国在纳米电子学研究的超高密度信息薄膜的研究 中达到了领先水平：
对比：当存储信 号的斑点为10个 纳米时，存储密 度为1012bits/cm2， 称为超高密度。
顺磁性：在外加磁场下，每个原子磁矩作比较规则的
取向，显示极弱的磁性；
反铁磁性：大小相等的相邻原子磁矩作反向排列的自
发磁化现象，总磁矩为零）；
铁磁性：即使在较弱的磁场内也有极高的磁化强度，
而且当外磁场移去后仍保留极强的磁性；
亚铁磁性：是反铁磁性的一种变体，只是两种反平行
排列的磁矩大小不同。
能可相比时，磁化方向就不再固定在一个方向，而是做无 规律的变化，结果导致超顺磁性。如α —Fe、Fe304和α Fe203粒径分别在5nm、16nm和20nm时转变为顺磁体。
纳米材料的磁特性
低居里温度：居里温度是铁磁材料的自发磁化消失所
对应的温度,是物质磁性的重要参数，通常与交换积分成 正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜材料，随厚 度的减小，居里温度下降；对于纳米颗粒材料，由于小 尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征磁性变化，
功能材料概论6(纳米材料)
用STM描绘样品表面三维的原子结构:
硅表面硅原子 STM图象
高序石墨原子 STM图象
1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登 研究中心（Almaden Research Center）的科学家展示了一 项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动 到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这三 个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。
STM头部
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向 可优于0.01纳米，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到 了微观世界。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度 上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原
子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。
力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密 性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗 粒间界面，如5 nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含 1019个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性。
扫描隧道显微镜下的纳米团簇
纳米颗粒型材料也称纳米粉末
可用于制备高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材
料、防辐射材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装 材料、光电子材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、敏 感元件、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、 高效助燃剂、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂 等。
碳纳米管 1991年，日本科学家饭岛澄男发 现碳纳米管。 石墨中一层或若干层碳原子卷曲而 成的笼状“纤维”，内部是空的， 外部直径只有几到几十纳米，长度 可达数微米甚至数毫米。 这样的材料很轻，但很结实。它 的密度是钢的1/6，而强度却是钢 的100倍。若用碳纳米管做绳索， 是惟一可从月球上挂到地球表面， 而不被自身重量所拉断的绳索。
纳米结构材料
纳米结构材料纳米结构材料是一种具有微观尺度特征的材料，其尺寸通常在纳米级别。
纳米结构材料的独特性质使其在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
本文将对纳米结构材料的特点、制备方法及应用进行介绍。
首先，纳米结构材料具有独特的物理、化学和力学性质。
由于其尺寸处于纳米级别，因此具有较大的比表面积和量子尺寸效应，使得纳米结构材料具有优异的光学、电学、磁学和力学性能。
例如，纳米结构金属材料具有优异的导电性和机械强度，纳米结构氧化物材料具有优异的光学和催化性能。
这些独特性质使得纳米结构材料在能源、环境、生物医药等领域具有重要的应用价值。
其次，纳米结构材料的制备方法多种多样。
常见的制备方法包括溶剂热法、溶胶凝胶法、气相沉积法、物理气相沉积法等。
这些方法可以根据具体材料的性质和应用需求进行选择，通过控制反应条件和材料结构，可以实现对纳米结构材料的精确控制和调控。
例如，通过溶剂热法可以制备纳米结构金属氧化物材料，通过溶胶凝胶法可以制备纳米结构二维材料。
这些制备方法的不断发展和完善为纳米结构材料的研究和应用提供了重要的技术支持。
最后，纳米结构材料在各个领域具有广泛的应用。
在能源领域，纳米结构材料被用于制备高效的太阳能电池、储能材料和催化剂；在环境领域，纳米结构材料被用于污水处理、大气净化和环境监测；在生物医药领域，纳米结构材料被用于药物传输、诊断和治疗。
这些应用为纳米结构材料的研究和开发提供了广阔的空间和机遇。
综上所述，纳米结构材料具有独特的性质、多样的制备方法和广泛的应用前景。
随着材料科学和工程的不断发展，纳米结构材料必将在各个领域发挥重要作用，推动科技进步和社会发展。
希望本文对纳米结构材料的研究和应用有所帮助，也希望能够引起更多人对纳米结构材料的关注和重视。
纳米结构材料的合成与应用
纳米结构材料的合成与应用在当今科技飞速发展的时代，纳米结构材料无疑是一颗璀璨的明星。
它们以其独特的性质和广泛的应用，正在改变着我们的生活和未来。
纳米结构材料，顾名思义，是指在纳米尺度（通常为 1 100 纳米）下具有特殊结构和性能的材料。
由于其尺寸极小，纳米结构材料展现出了与传统宏观材料截然不同的物理、化学和生物学特性。
让我们先来了解一下纳米结构材料的合成方法。
目前，主要的合成方法包括物理方法和化学方法。
物理方法中，比较常见的有机械球磨法和真空蒸发法。
机械球磨法通过将原料放入球磨机中进行长时间的研磨，使其达到纳米尺寸。
真空蒸发法则是在高真空环境下，将材料加热蒸发，然后在冷却基板上沉积形成纳米结构。
化学方法的种类则更为丰富。
其中，溶胶凝胶法是一种常用的手段。
它通过将前驱体在溶液中进行水解和缩聚反应，形成溶胶，再经过凝胶化和干燥处理，得到纳米结构材料。
水热合成法也是备受关注的一种方法，它在高温高压的水溶液中进行化学反应，从而合成出纳米材料。
此外，还有化学气相沉积法，通过气相中的化学反应在基底表面沉积纳米材料。
纳米结构材料之所以引起广泛关注，关键在于它们的独特性能。
首先，纳米结构材料的比表面积非常大。
这意味着它们具有更多的表面活性位点，能够极大地提高化学反应的效率。
例如，纳米催化剂在许多化学反应中表现出了卓越的催化性能，能够显著降低反应的活化能，提高反应的选择性和转化率。
其次，纳米结构材料的量子尺寸效应也十分显著。
当材料的尺寸减小到纳米级别时，电子的运动受到限制，能级发生分裂，从而导致材料的光学、电学等性质发生改变。
例如，纳米半导体材料的能隙会随着尺寸的减小而增大，使其发光颜色可以通过控制尺寸来调节。
再者，纳米结构材料还具有优异的力学性能。
由于其尺寸小，晶界比例高，纳米材料往往具有更高的强度和硬度。
比如纳米陶瓷材料，其强度比传统陶瓷大幅提高，甚至可以超过金属的强度。
在众多领域中，纳米结构材料都有着广泛的应用。
纳米结构材料
纳米结构材料纳米结构材料是一种具有特殊结构和性能的新型材料，其尺寸通常在1-100纳米之间。
纳米结构材料具有非常大的比表面积，较短的扩散距离和较高的界面活性，使其具有许多独特的物理、化学和力学性质。
这些独特性质使纳米结构材料在许多领域有着广泛的应用。
首先，纳米结构材料在能源领域有着重要的应用。
由于其较大的比表面积和较高的界面活性，纳米结构材料可以作为高效的催化剂，用于水分解、电池、燃料电池和光催化等能源转换和存储装置。
此外，纳米结构材料还可用于制备高性能的锂离子电池和超级电容器，以提高电池的充放电速率和循环寿命。
其次，纳米结构材料在材料科学和工程领域中也有着广泛的应用。
通过调控纳米结构材料的形貌、晶相和尺寸等参数，可以调整材料的力学、磁学、光学和电学性质，以适应不同的功能性需求。
例如，纳米粒子可以用于制备高强度、低密度的结构材料，如纳米复合材料和纳米发泡材料。
另外，纳米结构材料还可用于制备高效光电器件、柔性电子器件、传感器和纳米机器等。
此外，纳米结构材料在生物医学领域中也有着重要的应用。
由于其较小的尺寸和较大的比表面积，纳米结构材料可以通过血液和细胞膜进入细胞内部，从而用于药物传递、基因治疗和肿瘤治疗等领域。
例如，纳米粒子可以用于制备纳米药物载体，通过控制药物的释放速率和靶向性，增强治疗效果并减少副作用。
此外，纳米结构材料还可用于制备生物传感器、成像剂和人工组织等。
然而，纳米结构材料的制备和应用也面临着一些挑战和问题。
首先，纳米结构材料的制备过程通常较为复杂和昂贵，需要控制加工参数、合适的成品要求和多种先进的制备技术。
其次，纳米结构材料的安全性和环境影响也需要进一步研究和评估，以确保其在应用过程中不对人体和环境造成负面影响。
综上所述，纳米结构材料具有独特的结构和性能，广泛应用于能源、材料科学和工程以及生物医学等领域。
随着纳米技术的发展和应用的不断深入，纳米结构材料有望在各个领域中发挥更大的作用，并为人类社会的可持续发展做出贡献。
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纳米材料中晶界的体积分数界可用下式来估计：
3 界 d
式中，为晶界的厚度，d为晶粒的直径。
类气态模型：既没有长程有序，也没有短
程有序，是一种类气态的无序程度很高的结 构。被抛弃
纳米材料的 晶界结构模型
有序模型：晶界原子排列是有序的，与粗
晶材料的晶界原子排列无本质上的区别
结构特征分布模型：纳米材料的晶界不
5 凝胶注模（浇注）成型方法
凝胶注模成型是通过将含有有机单体的粉体料浆注入模 型，通过有机单体发生聚合反应形成凝胶，来实现料浆 固化成型的一种湿法成型方法，其成型过程包括浆料制 备、脱气、注模、凝胶化、脱模等。 评价浆料性能优劣的指标有：高固相含量（决定成型 后素坯的密度）；良好的稳定性（决定成型后素坯密 度的均匀程度；良好的流变性，粘度低，易于除气 （既保证素坯密度高有能使缺陷减至最少） 对凝胶注模成型而言，有机单体的添加（凝胶化前起到分 散剂的作用）可有效降低浆料的粘度，能显著改善高固相 含量料浆的流变性。
超塑性 超塑性是指在一定应力下伸长率100%的塑性变形
纳米氮化硅陶瓷的超塑性行为实验照片
晶界的流变性是超塑性出现的重要条件，它可由下 式表示： n
A
d
p
其中 为应变速率，是附加应力，d为粒径，n和p分 别为应力和应变指数，对超塑性陶瓷，其典型数字范 围为1-3；A是与晶界扩散密切相关的参数。当晶界扩 散速率大于形变速率时，界面表现为塑性，反之，界 面表现为脆性，因而晶界中原子的高扩散性是有利于 陶瓷材料的超塑性的。
式中0为移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力，对 于各种粗晶材料，上述公式均适用，且K值为正数。
对于纳米固体材料，有五种情况： 正Hall-Petch关系（K>0） 反Hall-Petch关系（K<0） 正-反混合Hall-Petch关系 K变化 偏离Hall-Petch关系
其原因主要是晶界的影响。
防止纳米晶粒长大的策略有两种：
1 降低晶粒长大的驱动力，即降低晶界的自由能或 降低晶界的迁移速率。 2 获得真正亚稳的组织。 异质原子如杂质原子在晶界的偏析能有效地改变晶界 的原子结构，降低晶界的自由能，从而使晶粒稳定。 同时，杂质原子或原子团还能钉扎晶界或在晶界处起 到“拖拽”作用，以阻止晶粒长大。
1050C 1000C
超高压成型素坯与低压成型素坯相对密度 随烧结温度的变化
超高压成型素坯在不同温度下等温烧结
原因：1 对于相同的粉体，高密度素坯中颗粒间的接触点增 多，导致在相同的烧结条件下物质迁移的通道增多，从而使 致密化速率大大提高；2 外压越大，素坯中的气孔越小，由 于促进材料致密化的扩散驱动力与气孔曲率成反比，因此扩 散驱动力增加，提高了致密化速率。
3 原位成型方法
原位成型的特点： 在真空中完成对 素坯的压制，可 以确保纳米颗粒 表面及烧结后陶 瓷晶界的清洁， 但该法仅用于气 相法制备粉体的 成型
4 热压注（铸）成型方法
所谓热压注成型是在压力作用下把熔化的含蜡料浆（简 称蜡浆）注满金属模具中，冷却后脱模得到素坯的一种 湿法成型方法。 选用石蜡作粘结剂的理由：1 熔点低，成型可在70~80C 进行，容易操作；2 石蜡熔化后，粘度小，易填满模腔， 有润滑性，不磨损模具，冷却后坯体有一定强度；3 石蜡 冷却后有7-8%的收缩，容易脱模；4 一般不与粉料反应； 5 来源丰富，价格低廉。
5.1.1.2 纳米材料的晶粒组元 纳米晶粒的热稳定性
纳米材料在热力学上是不稳定的，其不稳定性随着晶 粒尺寸的减小而增加，而其不稳定性主要表现在纳米 晶粒容易长大。晶粒长大的驱动力来源于储存于晶界 和晶粒内部的内能。
晶粒的长大包括原子穿过晶界和沿晶界输送，其激活 能常常相当于晶界的扩散激活能。 晶粒异常长大的原因： 1 坯体密度分布不均匀，大的晶粒成为晶粒异常长大 的晶核。 2 杂质偏析不均匀，在低杂质偏研究表明，其红外吸收谱中出 现蓝移和宽化。解释如下： 小尺寸效应和量子尺寸效应导致蓝移 纳米晶粒组元尺寸很小，表面张力较大，内部发生畸变， 使平均键长变短，导致键振动频率生高引起蓝移。量子尺 寸效应导致能级间距加宽，使吸收带在纳米态下出现在更 高波数范围。
尺寸分布效应和界面效应导致宽化 晶粒尺寸并不完全一致，表面张力有差别，晶格畸变 程度不同，因此引起键长有一个分布，使红外吸收带 宽化。晶界原子配位不足，失配键较多，晶界内的键 长与晶粒的键长不同，并也有一个分布，也对红外吸 收带的宽化有作用。 应用：军服（人体释放的红外线大致在4-16微米的中 红外波段） 隐身材料 保暖衣
是单一的、同样的结构，在庞大的晶界中， 其结构存在一个分布，处于无序到有序的中 间状态。受制备方法因素影响很大
成分相同的纳米材料如具有不同的晶界结构，则具 有不同的晶界能，从而导致材料的性能产生较大的 差异。 同粗晶材料的晶界结构相比，纳米材料的晶界结构 具有以下特点： 1.晶界具有大量未被原子占据的位置或空间 2.低的配位数和密度 3.大的原子均方间距 4.存在三叉晶界 三叉晶界是三个或三个以上相邻晶粒之间的交叉区域 ，又称三叉线，旋错。由于是三个以上的晶粒相遇形 成，其在能量上是不稳的，在自然界很少见，是纳米 晶材料的特殊形式，由于三叉晶界处的原子扩散更快 ，运动性更好，因此对纳米材料的性能影响很大。
4. 杂质能级的影响 研究发现，某些过渡族元素在无序时会引起发光。 纳米晶体材料中存在庞大体积分数的有序程度较低 的晶界，可能为过渡族杂质偏聚提供有利位置，导 致能隙中形成杂质能级，产生杂质发光现象。
5.2 纳米陶瓷的成型与烧结
纳米陶瓷的定义：纳米陶瓷是指晶粒尺寸，晶界宽度， 第二相分布，气孔尺寸，缺陷尺寸均处在100nm及其 以下的一种陶瓷材料，是纳米材料的一个分支，是属 于三维的纳米块体材料。 纳米陶瓷的特性：由于晶粒尺寸很少，晶界数量的大 幅度增加，可使材料的强度，韧性和超塑性大大提高， 对材料的电学、热学、磁学、光学性质产生重要影响， 为材料的利用开拓了一个崭新的领域。纳米陶瓷有望 从根本上解决陶瓷脆性大、加工困难、烧结温度高等 弊端。
2 橡胶等静压成型方法（Rubber isostatic pressing, RIP)
RIP成型原理图
RIP成型设备一般由五个部分组成：装填部分；校准部分；加 压部分；出坯部分；清洁部分
RIP成型的关键在于将粉体均匀的装入橡胶模具 中，通常采用空气振动技术来实现
RIP成型的优点：误差小，速度快，坯体密度大且均匀，模具 价格低廉，同一般干法成型不同，可很方便的压制不同大小 和形状的素坯，在纳米陶瓷的生产上具有很高的实用价值。
光致发光
所谓的光致发光，是指在一定波长光照射下被激发到高能 级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观 过程。仅在激发过程中才发射的光叫荧光，而在激发停止 后还继续发射一定时间的光叫磷光。
声子
光 子
纳米材料的发光谱与常规材料有很大差别，其机理：
1.电子跃迁选择定则问题 常规粗晶材料的电子跃迁受选择定则的限制，即遵守垂 直跃迁，禁止非垂直跃迁。而纳米材料中由于大量晶界 的存在，选择定则不适用，在激发下纳米态所产生的发 光带中，有些是常规材料中受选择定则的限制而不能出 现的发光现象。 2.量子限域效应 量子限域效应使能隙中靠近导带底形成一些激子（束缚 的电子-空穴对）能级，产生激子发光带，其强度随晶 粒尺寸的减小而增加。 3.缺陷能级作用 晶界中大量不同类型的悬键和不饱和键，在能隙中形成 一些附加能级（缺陷能级），引起一些新的发光带。
在拉伸过程中，超塑性的产生是晶界不发生迁移，不 发生晶粒长大，仅仅是晶界内部原子的扩散运动，从 宏观产生晶界的流变。 最近研究表明，陶瓷材料出现超塑性颗粒的临界尺寸 范围约200-500nm.
5.1.2.2 纳米固体材料光学性能与应用 材料的光学性能与其内部的微观结构，特别是电子态、缺 陷态和能级态结构有关。纳米材料在结构上与常规材料有 很大差别，突出表现在小尺寸晶粒和庞大体积分数的晶界 ，晶界原子排列和键的组态的无规则性较大，使纳米材料 的光学性能出现一些与常规材料不同的新现象。
5.1.1.3 纳米结构复合材料的结构特点
a 晶内型
c 晶内晶间混合型
b 晶间型
d 纳米-纳米型
ZTA SEM
5.1.2 纳米结构材料的性能与应用 5.1.2.1 纳米固体材料力学性能与应用 强度和硬度（Hall-Petch公式）
0 Kd
1 2
H H 0 Kd
1 2
料浆配制时须添加适量的表面活性物质，如常用的油酸、 硬脂酸、蜂蜡等，原因在于陶瓷粉体表面是极性的，石 蜡是非极性的，熔化后的石蜡不易润湿粉体，从而容易 发生沉淀，而加入的表面活性剂是双亲性物质，通过其 桥梁作用则可使粉体与石蜡间接地吸附在一起。
热压注成型的特点：用该法生产的陶瓷制品尺寸 精确，光洁度高，可制取各种异形件，对成型设 备要求简单。
纳米BN晶粒内的刃位错
纳米晶粒的固溶度
纳米晶粒对异质原子具有很大的固溶度。一些在固态 甚至在液态下完全不互溶的元素的原子在纳米晶条件 下具有很高的互溶性，如在粗晶情况下互不相溶的FeAg、Fe-Cu系在纳米状态下可以形成固溶体，因此利 用纳米材料具有高固溶度的特性，可以制备出根据传 统平衡相图不可能制备出的具有高固溶度的新合金， 这无论在学术上还是在应用上都具有很大的意义。
对凝胶注模成型而言，在获得良好性能浆料的基础上， 另外一个则是确定浆料合适的固化条件，为此在浆料中 添加有机单体的同时还要添加引发剂（引发有机单体发 生聚合反应的物质）和交联剂（影响素坯强度），因而 需要对三者用量进行优化。 凝胶注模成型技术是美国橡树岭国家实验室在90年代初发 明的一种新型陶瓷素坯成型方法，通过十多年的发展，显 现良好的应用前景。同热压注成型方法相比，其优势： 1 热压注成型所用粘结剂量高达20%，凝胶注模成型仅为 3~4%，后者具有更高的成型密度和强度(20-40MPa)； 2 热压注成型后粘结剂的脱烧时间有时长达一周，且不彻 底，产生缺陷，而凝胶注模成型脱烧时间短，彻底，不易 产生缺陷。