纳米材料特性

纳米材料特性

《纳米材料导论》作业

1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？

答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。

原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。

按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。

2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。

答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；

磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。

三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的

比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。

3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？

答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，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。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。

4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。

答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺 沉淀法 以沉淀反应为基础形成不溶性沉淀高物经过过滤、洗涤、烘干及焙烧，得到所需的纳米氧化物粉体。 纯度高，均匀性好、设备简单、原料容易获得、化学组成控制准确， 微乳液法 在微乳液的微区控制胶粒的形核与长大 粒子分散性好，但粒径较大不易控制 溶胶－凝胶法 由水溶胶得到凝胶，经热处理得到纳米颗粒 粒度小、可控，粒子易团聚

电解沉积法

在溶液中通

以电流后在

阴极表面沉

积大量的晶

粒尺寸在纳

米量级的纯

金属、合金以

及化合物投资少，生产效率高，不受试样尺寸和形状的限制，可制成薄膜、涂层或块体材料，所得样品密度较高

固相法机械合金化

高能球磨或

冲击破碎

投资少、适用

材料范围广

可大批量生

产，但易造成

环境污染、晶

粒粗化

固相反应

固相物质在

热能、电能或

机械能的作

用下发生合

成或分解反

应而生成纳

米材料的方

法

设备简单，但

是生成的粉

容易结团，常

需要二次粉

碎

大塑性变形

压力扭转，等

通道积压可生产出较大的样品不含空隙类缺陷，晶界洁净，但含有较大的残余应力，晶粒尺寸较大

非晶晶化

熔融金属快

冷成非晶，控

制晶化高密度、产量少，应用范围有限

表面纳米化

将材料的

表层晶粒细

化至纳米量

级而基体仍

保持原粗晶

状态，可以采

用表面机械

加工、反复摩

擦的方法实

现材料表面

纳米化

大幅度提高

了块体材料

的表面性能，

可以实现材

料表面结构

选择性化学

反应

其它方法自组装技术

在合适的物

理、化学条件

下，原子团、

大分子、纳米

丝或纳米晶

体等结构单

元通过氢键、

范德瓦尔斯

键、静电力等

非共价键的

相互作用，亲

水-疏水相互

作用自发地

形成具有纳

米结构材料

的过程

应用广泛，在

光、电、磁及

催化等领域

具有很大的

潜在应用价

值。自组装技

术已经扩展

到液相，气相

合成过程中。

可以自组装

成有序的排

列结构，

模板合成法在模板孔洞

限制的介质

环境中填充

模板中孔洞

的过程，多种

方法填充模

板中的孔洞，

以获得具有

模板孔洞尺

寸和排列相

同的纳米材

料或结构

可以合成和

制备多种低

维纳米材和

纳米结构，如

碳纳米管料、

有序分布的

GaN纳米丝

陈列、ZnO单

晶晶须陈列、

单晶Si纳米

线以及在每

一个微孔中

含有数个单

分散胶体粒

子的有序微

孔结构