第七章 纳米结构体系
纳米结构——精选推荐
反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶 胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反 向排列，在铁电性材料中有反铁电性。
顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外 电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强 度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性， 而后者则保留极强的磁性。
亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小 不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为 铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。
Cu,Ag,Au C,Si,Ge N,P,As,Sb,Bi S,Te,Se F,Ci,Br,I He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn
M
H
顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存 在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由 于顺磁物质的原子做无规则的热运动，宏观看来，没 有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则 地取向，物质显示极弱的磁性。磁性物质的磁化率χ 为正值，数值亦很小，约为10-3-10-6，所以是一种弱 磁性。
超顺磁性：矫顽力
Hc
→
0，对于
μH
kBT
<< 1时：
磁化强度：
MP
≈
μ 2 H ，μ为粒子磁距
3k BT
起源：在小尺寸下，当各向异性能减少到与热运动能可想 比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化 方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。
(b).矫顽力 纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力 每个粒子是一个单磁畴
构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳 米结构的基本单元目前主要有下述几种：
团簇
原子团簇是一类新发现的化学物种，是在 20世纪80年代才出现的，原子团簇是指几个至 几百个原子的聚集体（粒径小于或等于 1Cn70m和）富，勒如烯F等en），等Cu。nSm，CnHm和碳簇（C60,
纳米材料的结构和性质
2．2 磁学性能
纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、 表面效应等使得它具有常规粗晶粒材料 所不具备的磁特性．纳米微粒的主要磁 特性可以归纳如下： (1)超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入 超顺磁状态
超顺磁状态的起源可归为以下原因：在小 尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能 可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个 易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化， 结果导致超顺磁性的出现．不同种类的纳 米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相 同的．
对纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有几种说法， 归纳起来有两个方面； 一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙变 宽，这就导致光吸收带移向短波方向． Ball 等 对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电 子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级 之间的宽度 ( 能隙 ) 随颗粒直径减小而增大，这 是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和 绝缘体都适用．
此外，纳米磁 性微粒还具备 许多其他的磁 特性．纳米金 属Fe(8nm)饱和 磁化强度比常 规α-Fe低40％， 纳米Fe的比饱 和磁化强度随 粒径的减小而 下降(见图)；
Байду номын сангаас
2.3光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的 特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意 波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显 著．与此同时，大的比表面使处于表面态的原 子，电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行 为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效 应对纳米微粒的光学特性有很大的影响．甚至 使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具 备的新的光学特性．主要表现为如下几方面：
例如，常规Al2O3烧结温度在2073-2173K， 在一定条件下，纳米的 Al2O3 可在 1423K 至1773K烧结，致密度可达99.7％．常规 Si3N4 烧结温度高于 2273K，纳米氮化硅 烧结温度降低673K至773K，纳米TiO2在 773K 加热呈现出明显的致密化，而晶粒 仅有微小的增加，致使纳米微粒 TiO2 在 比大晶粒样品低 873K 的温度下烧结就能 达到类似的硬度．
材料的纳米结构和纳米材料
材料的纳米结构和纳米材料随着科技的不断发展，纳米技术成为一种热门研究领域。
纳米结构和纳米材料作为纳米技术的重要组成部分，对于材料科学和工程领域具有深远的影响。
本文将从纳米结构和纳米材料的定义与特征、制备方法以及应用领域等方面进行探讨。
一、纳米结构和纳米材料的定义与特征1. 纳米结构的定义与特征纳米结构是指具有纳米级尺寸的材料内部或者表面的结构特征。
通常情况下，纳米结构的尺寸在1-100纳米之间。
相比于宏观材料，纳米结构具有特殊的物理、化学和生物学性质。
纳米结构的特征表现为量子尺寸效应、表面效应和界面效应。
2. 纳米材料的定义与特征纳米材料是指材料粒子在纳米尺度范围内具备特殊性质的材料。
纳米材料的尺寸通常在1-100纳米之间，具有高比表面积、量子尺寸效应、量子限制效应等特征。
纳米材料的性能迥异于宏观材料，包括力学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等。
二、纳米结构和纳米材料的制备方法1. 自下而上法自下而上法是一种从分子或原子水平逐步构建纳米结构的方法。
该方法包括溶胶-凝胶法、热浸渍法、共沉淀法、气相合成法等。
通过控制反应条件、物质浓度、温度等参数，使原子、分子或者纳米颗粒逐步聚合形成所需的纳米结构。
2. 自上而下法自上而下法是通过对宏观材料进行加工、成型和改性，逐步制备出纳米尺度的结构和材料。
该方法包括机械法、光刻法、微影法、化学气相沉积等。
通过利用材料的特性和加工工艺的优势，对宏观材料进行精细控制和加工，使其产生纳米级别的结构和性能。
三、纳米结构和纳米材料的应用领域1. 能源领域纳米结构和纳米材料在能源领域具有广泛的应用。
例如，纳米材料在太阳能电池、燃料电池和储能材料中具有重要作用。
通过控制纳米结构，可以增强材料的光吸收能力、电子传输速率和储能性能，提高能源转换效率。
2. 生物医学领域纳米结构和纳米材料在生物医学领域被广泛应用于药物传递、生物成像和生物检测等方面。
例如，纳米颗粒可以作为药物载体，实现靶向治疗和控释释放。
纳米结构及其性能研究
纳米结构及其性能研究随着科学技术的迅猛发展，我们越来越多地关注到微观领域下的材料和结构。
其中，纳米结构受到了极大的关注，因为它们具有独特的物理和化学特性，能够应用于诸多领域，如Catalysis、biomedical imaging、battery、electronics、energy conversion等。
本文将介绍纳米结构及其性能研究的基本知识和进展。
一. 什么是纳米结构？纳米结构是指尺寸在1-100纳米之间的材料结构，是微观尺度下的物质组成单位。
具体地说，纳米结构的表面积非常大，因而具有较高的催化活性、许多量子效应及众多与体相材料不同的特殊性质。
在纳米技术领域，纳米结构通常指的是纳米级别的一维、二维、三维结构，如纳米线、纳米颗粒、纳米管等。
二、纳米结构的性能特点纳米结构的性质主要取决于三个方面：材料本身的特性、其结构形态和尺寸。
相较于纯单体材料，纳米结构具有以下性能特点：1. 较高的比表面积。
由于纳米材料尺度小于100 nm，因此纳米结构的比表面积通常非常大，其表面能量很高。
因此，纳米结构的催化性质，能量弛豫过程，纳米颗粒的吸附和表面动力学都会与普通材料有很大不同。
2. 尺寸相关性质。
与体相材料不同，纳米材料的特定尺寸限制了其某些性质。
在纳米级尺寸范围内，量子效应对电学性质、几何构象、光学性质等起到重要作用。
例如，在纳米结构中，金属修饰和催化剂负载的尺寸具有影响催化性质和选择性的作用。
3. 较强的量子效应。
对于小至数纳米的纳米结构，量子效应会成为物理和化学性质的关键影响因素。
量子效应可能会导致电子束缚、激子的形成，也可以影响光学性质。
4. 单轴磁性。
一些纳米结构材料（例如纳米磁性材料）展现出单轴磁性，这意味着它们对于磁场的反应是主要沿着一个方向的。
此特性极大地扩展了纳米结构在数据存储、磁性成像等领域的应用。
三、纳米结构的研究方法对于纳米结构的研究，研究方法至关重要。
目前常见的纳米结构研究方法有以下几种：1. 扫描电子显微镜(SSEM)。
纳米结构的构筑与纳米器件
2004年 赣南师范学院学报 №.3第三期 Journal of G annan Teachers College J une.2004纳米结构的构筑与纳米器件Ξ范小林,胡乔生,胡跃华(赣南师范学院现代分子科学与新材料技术研究所,江西赣州 341000)摘 要:分析近年来纳米技术的发展概况,综述目前纳米器件构筑的主要方法,对纳米电子技术、纳米光电子技术、纳米机械、纳米传感器及纳米结构的分析检测等相关技术的研究现状进行概括分析,并对纳米结构与纳米器件未来的发展需要解决的主要问题进行总结.关键词:纳米技术;纳米器件;纳米机械中图分类号:TB383 文献标识码:A 文章编号:1004-8332(2004)03-0030-051 构筑纳米器件的技术方法纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑起来的体系.由于这种结构既具有与其纳米尺度相关的许多特性(量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点),又存在与材料本身有关的一些特点.因此,通过控制光、电、热、磁等外界条件的变化,又可对其性能加以控制.纳米器件的设计也正是以此为基础,既继承材料本身的特性,也利用其纳米尺度所赋予的新功能,以达到一个全新而完美的设计.正是由于该体系中蕴含着奇特的物理现象及与下一代量子结构器件的联系,纳米器件的研究已成为科学研究的热点.要制造具有特定功能的纳米器件,其技术路线可分为“自上而下”(TOP DOWN)和“自下而上”(BO TTOM U P)两种方式.“自上而下”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;“自下而上”是指以原子、分子为基本单元,根据人们的意志进行设计组装,从而构筑成具有特定功能的产品.“自上而下”方法一般是通过改进现在的微电子加工技术,提高加工精度.采用这种方法,技术上一般要求达到20nm～30 nm精度可控.目前常用的手段有EUV(特紫外)光刻技术和电子束投影步进技术(Scalpel)等.“自下而上”的方法是利用原子、分子间的相互作用,以原子、分子为起点构筑具有特定形状和特殊功能的纳米器件,主要包括用场蒸发、电化学沉积、化学反应、气相沉积、分子自组装、自复制以及直接操纵原子、分子制备量子点、量子线等手段来制备纳米器件[1].这也是目前纳米科技人员构筑纳米器件的最常用也是最普遍的方法.化学反应是原子水平的重组,也是“由下至上”构筑纳米器件的重要方法.如何在纳米尺度上有效控制化学反应的进行,是实现纳米结构定向组装和生长的主要手段.Yuji Okawa等[2]事先将联乙炔组装在石墨基片上,然后通过STM针尖的充、放电来控制联乙炔分子的链引发、聚合、终止等过程.据该小组研究人员称:目前已经能够在1nm大小的长度上实现高分子的定向聚合反应.Li-Qun Gu等[3]发现一种大小为4400!的七碱基对蛋白质微孔,这种微孔在静电力的作用下可将带电荷的有机分子束缚在里面.带电的有机分子一旦进入这种孔洞中,在电场的作用下又可以向前或向后发生迁移,其迁移速率为几百个毫秒.利用该生物分子的这一特性,既可以用来进行多组分分子识别,也可以用来控制化学反应的进程.利用生物分子的天然特性直接来制备纳米结构或纳米器件也是当前纳米加工的重要方法.Jeffrey[4]通过调整溶液p H值诱导缩氨酸两亲物分子自动集束形成纤维状物质,这种有机分子组装的的纤维状物质可进行可逆交联,从而进一步调整纤维的结构集成.通过这种方法可制得各种形状的纳米线、纳米网、纳米圈等.Anders K arlsson等人[5]则利用脂质体在受到外界机械刺激的情况下会发生多种复杂形状变化的特点,首先采用旋转蒸发的方法制得多层脂质体薄膜,或采用脱水/再水化技术制得单层脂质体薄膜,然后利用一根表面涂有牛血清蛋白的碳纤维刺破脂质体薄膜,并采用高精度微型控制器控制裂开后薄膜的成型,干燥后即可得到各种形状的纳米管网络和容器.碳纳米管是近几年的一个研究热点,自1991年1月日本的N EC公司首次观察到碳纳米管,碳纳米管的制备已经经历了从多壁碳纳米管到单壁碳纳米管、单壁碳纳米管束、定向生长碳纳米管的发展过程[6].目前,不仅纳米管的制备方法在不断变化[7～8],纳米管的种类及加工技术也在不断发展.Masahito报道了[9]采用化学浸蚀的方法制备碳纳米环,这种环的闭合如同分子的开环和闭环一样,并不改变碳管的分子结构和链长.采用这种方法所制得的纳米环平均直径约为540nm,张开后,其在水溶液中类似蚕虫,长度约为800nm,低于这个长度则表现出很强的刚性和韧性.实验还发现:当这种碳管的长度在1400nm以Ξ收稿日期:2004-01-07 作者简介:范小林(1971—),男,江西莲花人,博士,主要从事材料科学的教学与研究.上时,则会表现出可观的热波动性,这也表明这种材料的柔韧性好.佐治亚理工大学的Pan 等[10]则采用粉末热蒸发的方法制得了ZnO 、SnO 2、In 2O 3、CdO 等的纳米带,这种纳米带的宽度为30nm ～300nm ,宽/厚比为5～10,长度则在20μm 以上.由于这种纳米带具有半导体特性,有望在功能性纳米器件中获得应用.Remskar [11]则以C60作催化剂,使MoS 2在温度为780℃、气压为10-3Pa 的高温炉中,以碘作为传质助剂,经过长达22天的反应,制得了自组装单壁次纳米级的MoS 2管,其平均直径为0.4nm.Schlitter 发明了[12]一种采用先驱体热裂解转化的方法制备自组装单晶单壁碳纳米管.这种单晶单壁碳纳米管阵列可以构筑在微米级的范围内,在宏观晶体材料的制备及微米级的完美低密度材料的制备中有良好的前景.Cumings 等人[13]通过电蒸发的方法使多壁碳纳米管一端的外层原子沿着内层逐层运动、变形,并可根据需要加工成各种不同的几何形状.不同形状和性能的纳米结构单元的制备仍然是纳米科技研究的一个重点,特别是大批量规则排列的纳米结构的制备工作,还有待于进一步深入.美国加州大学伯克利分校的Victor F.Puntes 等发现[14]:如果将有机金属化合物快速加入到热的有机溶剂中,可以看到有大量的均相晶核形成.由于单体在溶液中的寿命相当短暂,其在分解的过程中迅速形成大量的金属小球.如果在这些金属小球形成的过程中有相应的与之相匹配的表面活性剂及时将其包围起来,则可以有效地控制这些纳米小球的体积和形状.基于这个原理,该研究小组实现了对纳米钴晶体的形状和体积控制,制得了纳米级的钴球、杆、带、圈等.Byung Hee Hong [15]事先将由对苯二酚衍生物自组装成的杯状纳米管分散在水溶液中,然后加入含光、电化学活性中心的物质如AgNO 3,在紫外光照下,这些物质可发生分解,并在杯状纳米管内凝聚,形成宽为0.4nm ,长为微米级的单晶纳米线.这些纳米结构是我们研究一维纳米结构的良好素材.2 纳米电子器件微电子技术是现代信息技术的的核心.可以预言,纳电子技术在未来通讯技术中同样将起决定作用.就象微电子技术一样,纳电子技术中也需要进行纳米级电子器件的制备、加工,同样需要对纳电子器件进行功能集成、模块加工等操作.随着碳纳米管制备方法和加工技术的不断改进,以纳米管为基础的纳米结构器件的研究工作也在逐步开展.Postma 报道了[16]采用单壁碳纳米管成功地研制出了一种可以在室温下工作的单电子晶体管.其加工方法是:首先将长度为20nm 的单壁碳纳米管固定在Si/SiO 2基片上的两个金电极之间,然后利用原子力显微镜的针尖横向推拉碳纳米管,使之形成两个纵向弯曲.测量时以与碳纳米管相连接的两个金电极各作一极,以硅基片作门电极,一个基于碳纳米管的晶体管放大器即已形成.这种晶体管放大器不仅具有良好的放大效果,而且可以在常温下工作.Bachtold 发明了[17]一种基于单壁碳纳米管的场效应晶体管逻辑电路,其加工方法是:将一根单壁碳纳米管放在一根表面覆盖有数个纳米厚的氧化铝膜的铝线上,碳纳米管的两端与金电极相连,以碳纳米管的两端各作一极,以铝线作为门电极,这就构成了一个基于碳纳米管的场效应晶体管.实验发现,其放大效率大于10倍,开关次数在10万次以上,可在常温下工作.Collins [18]则利用碳纳米管在电流密度为109A/cm 2以上时可在电流诱导下产生缺陷,使多壁碳纳米管的外层在电流诱导下发生氧化而消失,从而使碳纳米管变薄、变尖.将这种技术与丝印技术相结合可以制备出基于碳纳米管的场效应晶体管.Cui [19]采用单壁碳纳米管原位化学修饰的方法也可制备在常温下工作的单电子晶体管,这种单电子晶体管的量子点大小不到10nm.1974年,Aviram 报道了[20]将单个有机分子作为功能电子器件使用.从此,人们对有机分子的电学功能开发表示了浓厚的兴趣.特别是近几年来,有机分子在纳米级的电子结构器件研究中,更是充当了重要的角色,发挥了重要的作用.利用有机分子在金属表面的自组装是目前制备纳米电子结构器件的主要方法.Hendri 报道了[21]采用两端为巯基,中间为共轭不饱和链的有机分子组装在两个金电极上,利用表面为二氧化硅绝缘层的硅基片作门电极,制得了一种场效应晶体管.这种场效应晶体管的放大系数为5倍,工作电压在0-1V 之间,室温下使用次数10万次以上不见衰减.Feldheim 等[22]将两端为巯基的二吡啶翁分子的一端组装在金电极上,另一端组装在纳米金球上,形成一种特殊的分子与金属的连接.由于这种有机分子处于氧化态时(二价)不导电,而处于还原态时(一价)则是良好的导体.当用STM 针尖接触到处于还原态的分子连接时,加入适当的电压即可使电流源源不断地通过.相反,当处于还原态的这种有机分子失去一个电子后,该连接则处于断开状态.这种特殊的化学环境的变化,直接控制着这种分子连接的电流通断,实现了一个完整的开关功能.这种开关的大小不到10nm ,中间的连接由不到六十个有机分子组成,只要用不到三十个电子即可实现开关.Vilan [23]则利用酒石酸分子在G aAs 半导体材料上进行自组装,制得了依靠隧道效应进行电子传输的二极管,这种二极管只在加正向电压的情况下有电流通过.Chen 等[24]利用含有硝氨氧化还原活性中心的硫醇分子(2′氨基-4-乙炔基苯基-4′-乙炔基苯基-5′-硝基-苯硫醇)在两个金电极上进行自组装,形成Au -SAM -Au 隧道结,该隧道结在60K 时I -V 曲线测定结果表明:该隧道结呈现负微分电阻特性,电流开关峰值与最小值比例大于1000∶1.Granstrom [25]以表面为SiO 2薄膜的P -掺杂硅片为基片,首先采用电子束石印的方法将金电极预制在硅基片上,并控制两个金电极之间的距离为300nm 左右,然后在两个金电极之间通过真空蒸发的方法沉积一层六聚噻吩分子.由这种结构组成的晶体管只需加小量的电压即可获得大的电流输出.David 等[26]将含有二吡啶翁氧化还原活性中心的聚亚甲基分子对纳米金球进行表面修饰,试图通过分子的氧化还原活性中心与纳米金球的结合来改变金属-绝缘层-金属这种隧道结的电子隧穿特性,从而为纳米级分子开关的研究提供了实验证据.通过STM 对该隧道结测定的结果表明:在0～2V 内,这种隧道结有明显的开关效应.纳米技术的关键在于功能电路的构筑,尽管人们在纳米结构单元和纳米器件的制备方面已经取得了很大成功.但要真正13第3期 范小林,等 纳米结构的构筑与纳米器件 23 赣南师范学院学报 2004年服务于人类,还必须对这些结构单元和器件进行连接、装配,构筑成能完成各种功能的微型电路.Huang等[27]通过控制流体在预设图案上的流动与分布,成功地制得了各种排列的一维纳米线,这些线可以是平行排列的,也可以是交叉排列的.此外,通过反复操作还可以获得经层层叠加而成的复杂电路.如果在电路制备中采用不同的功能材料,可以获得各种功能性的电路.该研究小组还报道了[28]利用纳米线、纳米半导体线等构筑逻辑电路.他们首先在溶液中制备了纳米线、纳米半导体线,然后将这些含p-n结的纳米线进行组合连接,制得了场效应晶体管,OR、AND、NOR等逻辑门结构.通过控制这种逻辑电路的信号输出,可以进行简单的计算.3 纳米光电子器件光电子器件是另一类电子器件,具有纳米结构的半导体光电子器件在信息存储、发送、传输、提取以及日常生活中的照明、交通显示等领域具有相当广阔的应用前景.基于光发射的纳米结构与器件的研究也是当前纳米技术研究的热点.在发光二极管的制备中,有效控制电子注入孔以及与之紧密结合的载流子之间的平衡是制备高效聚合物发光二极管的关键[29].为了改进电子的注入,人们采取了一些列的办法.例如K arg等[30]在作为正电极的铟锡氧化物上涂一层导电高分子,成功地改进了电子的注入.Ho[31]则采用在内部注入层和光发射聚合物之间添加一层约10?的部分共轭PPV分子,来达到使注入电子分步分级通过发光二极管各功能层的目的.此外,K oizumi[32]采用层层叠加的方法将硼掺杂的p-型宝石和亚磷酸盐掺杂的n-型宝石先后沉积在金刚石单晶的〈111〉晶面上制成紫外光发射二极管,实验发现:这种二极管在偏压为20V时,可发射波长为235nm的紫外光.Huang等[33]通过气相沉积的方法在蓝宝石基底上沉积自组装<001>有序排列的ZnO纳米线,这些纳米线的大小和排列方式可以通过控制气相沉积的传质过程来控制.有序排列的宽能带半导体纳米线构成了长度为10μm,直径为20nm-150nm的激光共振腔.在光激发下,可以观测到其表面有光发射行为,发射光波长为385nm,发射线宽在0.3nm以下.这种一维结构的纳米线阵列制备简单,重复性好,有望成为一种很好的微型激光光源,在信息存储、计算机、微量分析、微型传感器等领域有广阔的应用前景.4 纳米机械纳米机械因其体积小,能耗低,有望在未来的疾病治疗与监测、信息传递、环境污染检测、零部件修复、战场传感、敌情监视、安全警戒等领域获得很好的应用.也许人类在火车、航母、宇宙飞船等的制造过程中,直接从生物体上获得的灵感非常有限,但在纳米机械的制造过程中,却没有理由不向微小的生命体学习.生物系统虽然很小,但它们异常复杂,又格外活跃.早在1944年,量子力学奠基者薛定谔于《生命是什么》一书中就提出了生命活动是由分子机器来实现的观点.生物分子器件的优点是它们能够自我组装.分子自组装在生命系统中普遍存在,而且是各种复杂生物结构形成的基础.细胞本身就是“纳米技术大师”,它们在微观世界里能及其精确地引导生化反应,将原子逐个地构建成复杂的结构,并能自我组装,自我复制,制造物质.这正是科学家梦想的通过纳米技术实现制造特定功能产品的希望所在.因此,研究生物分子的自组装及工作原理是制造新一代纳米机械的重要途径.有的生物分子本身就是一个小发动机,研究这些分子的驱动原理对我们构筑新一代微型发动机具有重要的意义.Simp2 son[34]通过X-射线衍射、低温电镜、图像重构分析发现:噬菌体双链DNA分子被一层先驱体衣壳所包裹的动力机制.实验结果表明,头前体、十二基数头颈圈、头前体RNA、病毒A TP酶及DNA构成了一个发动机.其中头前体和A TP酶起了一个定子的作用,DNA则相当于轴承,颈圈则相当于一个轴承座圈.依靠DNA的天然螺旋状可以很自然地把颈圈的旋转运动转换成DNA分子的平移运动.Montemagno发明了[35]一种可以大量生产出热稳定的生物分子马达的重组体表达系统,即具有化学活性手柄的F1-A TP酶.它的标签是将生物分子精确定位在通过电子束石印所制得的镍、铜、金等基底上,这种基底通常可以与F1-A TP酶相连接,如果将发荧光的微球接在F1-A TP酶的γ亚基的尖端上,则可以用来记录这种分子马达的旋转次数.微分干涉仪记录的数据表明:这种马达的逆时针旋转频率约为10Hz.5 分子传感器化学传感器以其多样性、特异性、可塑性等优点成为传感器领域的重要成员,多年来在医学、军事、国家安全及日常生活中起了不可替代的作用.光发射二极管因其独特的电学、光学性能,可以用来检测某些可发光的分子如荧光物质,从而引起了科研工作者的浓厚兴趣,有望在化学传感器领域获得良好的应用.例如,Ivanisevic发明了[36]一种可将被分析物富集在光发射二极管表面,并可在室温下使用的低能化学传感器.其主要做法是通过设计优化活性层的表面反应,改变表面层的能量分布,从而加强载流子的吸收效应.其基本结构是:P:G aAS/P:In G aAlP/In G aP/n:In G aAlP/n:G aAs,这种光发射二极管由五层构成,其中覆盖层的厚度为0.5μm,活性层的厚度为50nm～500nm.使用时只需充入约20mA的电流,在有被检测气体存在的时候即可发出波长为670nm的红色荧光.这种光发射二极管可检测的气体包括NH3、NH2CH3、NH(CH3)2、N(CH3)3、SO2等.利用生化材料的分子识别功能来制作传感器是目前高选择性生物材料的主要研究方向,在同一基底上设计多个传感器分子阵列,则可以同时对多种有机分子进行检测.Hagleitner等[37]采用高灵敏度的聚合物分子在同一基片上制作了三种不同的传感器(重力、体积、热能).这种传感器对气载型的有机气体非常敏感,针对不同的目标分子,可以从重力、体积或热能等不同角度给出反馈信号.所给出的信号经放大、模拟-数字转换、集成等处理后可以直接给出识别信息,也可以进行将采集的信息储存在芯片上.该传感器对乙醇的灵敏度为100ppm～150ppm,对甲苯的灵敏度为40ppm～50ppm.生物分子识别在人类的生活中具有广阔的应用前景.利用生物分子之间特定的相互作用是研制新一代分子传感器的重要途径.IBM 公司瑞士苏黎世实验室的Fritz 等[38]发明了一种可以称量分子的微型天平,这种微天平的悬臂是由长为500μm ,宽为100μm ,厚度为1μm ,片距为250μm 的一排硅片构成.这些悬臂的表面经功能分子修饰后,可以通过与DNA 分子之间的杂化作用或配体与受体之间的化学键联作用而使表面张力发生改变,从而进一步使这些微悬臂产生纳米量级的机械响应,这种微弱的响应经特殊的传导作用即可对被检测分子进行识别.6 纳米结构的检测分析材料的内部结构及力学性能是对宏观材料的最基本的评价,作为纳米结构单元和纳米器件能否满足使用需要,同样需要对其进行检测.分析检测是对纳米结构单元和纳米器件的性能进行评价的基础,也是纳米结构单元和纳米器件最终获得应用的关键.内部结构的不同直接影响纳米结构单元和纳米器件的宏观性能.在现有的条件下,对纳米级结构单元和器件的内部结构进行表征是非常费力的事情,也是一项非常重要的工作.Bockrath 报道了[39]采用电子散射共振的方法对单壁碳纳米管内的量子缺陷进行了检测.检测结果表明,单壁碳纳米管内形成缺陷的量子点的费米能级可以随门电压的不同而改变.Ouyang 等[40]利用超高真空STM 在低温下(5K )对单壁碳纳米管中的原子结构及分子间连接的电学性能进行分析,发现金属-半导体的连接是处于一种电子非常活跃的非定域界面状态,同时还发现金属-金属的连接是处于一种原子状态更加无序能量更低的界面状态.其理论计算的结果也与实验事实相吻合.Ilanni [41]则利用单电子晶体管作为静电探针对有机分子在金属表面自组装形成的金属-绝缘体过渡区的结构进行研究,发现在金属与有机分子的接触界面上形成了一个新的二维界面相,界面相中是由许多轻度耦合区域组成,这些耦合区域构成了界面相中高能区,随着从金属向绝缘体的过渡,这种高能区域随金属相的消失而增加.Yu [42]则在STM 中设计了一个纳米级的拉伸台阶,成功地对多壁纳米碳管进行了力学拉伸实验,并对拉伸断裂过程进行了录像.实验发现多壁碳纳米管的拉伸断裂是由外向内逐层断裂,并计算出碳纳米管的拉伸强度在11GPa ～63GPa ,弹性模量在270GPa ～950GPa.作为功能性的纳米结构或材料除了要能满足加工使用所要求的力学性能,还必须具有所要求的功能.料研究纳米电子器件的目的最终是为了获得应用.例如,对纳电子器件来说,对其电学性能的分析和检测则是纳电子器件能否能否最终获得应用的判据.Cui [43]将1,8-辛二硫醇的一端组装在金基片上,另一端组装在纳米小球上,中间形成一有机单分子层,再利用AFM 针尖与纳米小球连接,即构成一可进行单分子电导测量的装置.采用这种方法测出的单个1,8-辛二硫醇分子的电阻约为900±50mΩ.Jiang 则报道[44]将十一硫醇癸酸盐在金基底上与H 2S 气体反应制得了直径为3nm 的PbS 纳米粒子,通过STM 和高分辨率透射电镜进行分析,观察到单个的这种PbS 纳米粒子具有明显的库仑阻塞和梯段效应.7 未来展望纳米技术的诞生只有短短十几年时间,但纳米技术的发展速度以及人们对它的热情是令人难以置信的.目前,一维的纳米器件产品如高电子移动型晶体管(HEM T )、垂直腔激光器(VCSEL )也已相继上市,并展现了良好的市场前景.尽管如此,我们还是应该看到,真正的纳米时代并没有到来.虽然我们在纳米材料和纳米器件方面的研究已经取得了很大的成绩.但从技术上来说,要做出真正意义上的纳米机械和纳米计算机,还有很大的难度和诸多挑战.特别是从纳米级别来组装计算机和机器,更是有很长的路要走.首先,逻辑电路的组装必须是完整意义上的纳米级别,而不是仅仅限于纳米级别的元件;其次,由纳米器件组装起来的自动控制系统、机械传动系统、信息传递以及网络通讯系统必须具有完整的功能,能够完成特定的工作和任务;再次,将纳米器件组装成纳米机械、纳米计算机等必须要有一套全新的加工技术;最后,建立衡量纳米器件与装置之间的标准以及分析检测手段也是纳米加工的重要课题.诸多此类的问题,均有待于我们进一步解决.参考文献:[1] Chunli Bai.Nanoscience and nanotechnology in China ,2001.[2] Yuji Okawa ,Masakazu Aono.Nanoscale control of chain polymerization[J ].Nature ,2001,409:683.[3] Li -Qun Gu ,Stephen Cheley ,Hagan Bayley.Capture of a single molecule in a nanocavity[J ].Science ,2001,291:636.[4] J.D.Hartgerink ,et al.,Self -assembly and mineralization of peptide -amphiphile nanofibers[J ].Science ,2001,294:1684.[5] Anders Karlsson ,et al.,Networks of nanotubes and containers[J ].Nature ,2001,409:150.[6] Li W Z ,Xie S S ,Qian L X ,et al.,Science ,1996,274:1701.[7] Lu -Chang Qin ,et al.,The smallest carbon nanotube[J ].Nature ,2000,408:50,[8] Oliver G.Schmidt ,Karl Eberl.Thin solid films roll up into nanotubes[J ].Nature ,2001,410:168.[9] Masahito Sano ,et al.,Ring closure of carbon nanotubes[J ].Science ,2001,293:1299.[10] Zheng Wei Pan ,Zu Rong Dai ,Zhong Lin Wang.Nanobelts of semiconducting oxides[J ].Science ,2001,291:1947.[11] Maja Remskar ,et al.,Self -assemble of subnanometer -diameter single -wall MoS2nanotubes[J ].Science ,2001,292:479.[12] R.R.Schlitter ,et al.,Single crystals os single -walled carbon nanotubes formed by self -assembly[J ].Science ,2001,292:1136.[13] John Cumings ,Philip G.Collins ,A.Zettl.Peeling and sharpening multiwall nanotubes[J ].Nature ,2000,406:586.[14] Victor F.Puntes ,Kannan M.Krishnan ,A.Paul Alivisatos.Colloidal nanocrystal shape and size control the case of cobalt [J ].Science ,2001,291:2115.[15] Byung Hee Hong ,et al.,Ultrathin single -crystalline silver nanowire arrays formed in an ambient solution phase[J ],Science ,2001,294:348.33第3期 范小林,等 纳米结构的构筑与纳米器件 。
第七章纳米结构体系
介孔固体组装法
（3）介孔固体/纳米颗粒复合材料性能
①光致荧光增强效应
幅度孔隙率调制 掺杂SiO2介孔固体荧光增强： 位置退火处理调制
例：掺杂Al3+－SiO2气凝胶比未掺杂SiO2气凝胶荧光增强10倍
②光吸收边和光吸收带位置的可调性
例：(i) 纳米Cr2O3/介孔Al2O3复合材料 介孔Al2O3+Cr(NO3)3水溶液中浸泡
第七章纳米结构体系
厚膜模板组装法
例：Au纳米线阵列的制备
经聚乙烯基吡啶表面 改性聚碳酸酯膜(孔径 10～30nm)
第七章纳米结构体系
厚膜模板组装法
c. 化学聚合 通过化学或电化学法使模板孔洞内的单体聚合成高聚物 的管或丝 化学法步骤：模板在单体和引发剂的混合溶液中浸泡， 加温或光引发聚合，聚合物纳米管或丝的阵列体系 电化学步骤：在模板一面涂上金属作为阳极，通电使模 板孔洞内的单体聚合形成管或丝的阵列
a. 氧化铝模板（有序孔洞阵列）
▲制备：经退火的高纯铝片(99.999%)在低温的草酸或硫酸溶液中经阳极腐蚀获得氧
化铝多孔模板 ▲孔洞形状：六角柱形
第七章纳米结构体系
b. 高分子模板
厚膜模板组装法
制备：聚碳酸酯、聚酯等高 分子膜，经核裂变碎 片轰击使其出现许多 损伤的痕迹，再用化 学腐蚀方法使痕迹变 成孔洞。
自组织长程有序 的单层阵列结构
纳米结构自组装
例二
PS-PMMA嵌段共聚物 旋转喷涂法 的二甲苯溶液(1wt%)
在NaCl晶体 上形成50nm 共聚物膜
145℃退火8h
Au颗粒镶嵌的共聚 物纳米结构膜
Au纳米粒子蒸发
膜
145℃真空 退火24h
水溶解NaCl
纳米材料与技术--纳米结构单元
矢量即为手性矢量。
沿与该矢量垂直方向为轴向，将原点与矢量端点重合，即得(n,m)型碳纳米管。
〔3〕特性i) 电子特性：n, m值，即直径和手性角θ值对纳米管的性能影响很大。
碳纳米管的电特性随分子结构改变而发生明显变化〔量子限域，只能沿着轴向运动〕，没有其他任何材料在分子结构不同时具有如此不同的特性。
∣n - m∣= 3qq为整数时, (n,m)纳米管为金属性的(无能隙)。
➢单臂纳米管均为金属性(n = m)➢手性和锯齿纳米管中局部为金属性的〔以上两种情况占小直径纳米管的1/3〕➢手性和锯齿纳米管中局部为半导体〔有限带隙〕：纳米管直径变大，带隙变小→大直径时均为金属性〔锯齿形碳纳米管的能隙反比于管半径的平方〕共轴的金属-半导体、半导体-金属纳米管对是稳定的⇒全碳电子元件〔微型化、高性能、低能耗〕ii) 力学特性：单壁纳米管的抗张强度比钢高100倍，1/6。
其拉力强度是大多数合金的25倍→复合材料的增强剂iii〕化学等方面纳米管作为模板→纳米丝✍贮氢、电池等用途碳纳米管的应用➢碳纳米管阵列体系→场发射器件➢单壁碳纳米管的压电系数高→人工肌肉➢碳纳米管+ 电极→纳米镊子(nanotweezer)➢半导性单壁碳纳米管→化学传感器➢碳纳米管线路→器件微型化➢碳纳米管的弹性→纳米秤(飞克级的病毒)〔4〕制备目标：①连续批量生产；②结构分布均匀且可控；③本钱低，适宜商业生产；④纯度高、易分散。
关键因素：①碳源；②催化剂及载体；③制备条件。
✍催化剂→单壁纳米管✍催化剂、温度等→纳米管直径的分布➢石墨棒直流电弧放电法〔Arc Discharge)➢碳氢化合物催化热分解法，又称CVD法➢激光蒸发气相沉积法➢火焰法第五种形态固体碳〔碳纳米泡沫〕近几十年来，人们对新奇的碳结构的研究有着很大兴趣，比方巴基球结构和纳米管结构。
1997年，澳大利亚的研究者又发现了另外一种碳的形态：蛛网状、与分形相似的合成物，他们称之为纳米泡沫。
纳米结构的制备方法
纳米结构的制备方法学生姓名：曹琰学号：20115041096学院：物电院专业：物理学指导教师：闫海龙职称：副教摘要：首先介绍什么是纳米结构以及纳米结构的分类，再主要说明纳米结构的制备方法及研究现状，最后叙述纳米结构的应用和前景。
关键词：纳米结构；制备方法；应用1引言著名的诺贝尔奖获得者查德费曼早就提出了一个令人深思的问题：如何将信息储存到一个微小的尺度?令人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30个原子就隐藏了不可思议的遗传信息，如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。
今天，纳米结构的问世以及它所具有的奇特的物性正在对人们生活和社会的发展产生重要的影响，费曼的预言已成为世纪之交科学家最感兴趣的研究热点。
纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富的科学内涵一个重要的分支学科，由于该体系的奇特物理现象及与下一代量子结构器件的联系，因而成为人们十分感兴趣的研究热点。
20世纪90年代中期有关这方面的研究取得重要的进展，研究的势头将延续到21世纪的初期。
2纳米结构的概念及分类从基础研究来说，纳米结构的出现，把人们对纳米材料出现的基本物理效应的认识不断引向深入[1]。
无序堆积而成的纳米块体材料，由于颗粒之间的界面结构的复杂性，很难把量子尺寸效应和表面效应对奇特理化效应的机理搞清楚，纳米结构可以把纳米材料的基本单元（纳米微粒、纳米丝、纳米棒等）分离开来，这就使研究单个纳米结构单元的行为、特性成为可能。
更重要的是人们可以通过各种手段对纳米材料基本单元的表面进行控制，这就使我们有可能从实验上进一步提示纳米结构中纳米基本单元之间的间距，进一步认识他们之间的耦合效应。
因此，纳米结构出现的新现象、新规律有利于人们进一步建立新原理，这为构筑纳米材料体系的理论框架奠定基础[2]。
2.1纳米结构的概念所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系[3]。
生物中的纳米结构探究
生物中的纳米结构探究生物是一个极其复杂的系统，其中包括了许多的纳米结构。
这些结构可以被定义为具有直径小于100纳米的微观结构。
虽然这些结构非常小，但它们在生物体内发挥着重要的作用。
因此，研究生物中的纳米结构已经成为了生物学领域中的一个重要课题。
一、纳米结构的分类生物中的纳米结构可以被分类为两类：一类是有序纳米结构，另一类是无序纳米结构。
有序纳米结构通常由生物聚合物或矿物质自组装而成，例如蛋白质中的α螺旋、β折叠和螺旋-褶板结构等，以及硅藻细胞壳中的有序孔隙结构等。
无序纳米结构则通常是由生物分子的随机分布形成的，例如细胞膜中的脂质双层结构、核糖体中的核酸分子结构等。
二、纳米结构的功能生物中的纳米结构具有多种重要的功能，例如：1. 传递信息生物体内的一些纳米结构可以用来传递信息，如细胞膜上的受体和信使分子。
这些结构通过相互作用产生信号传递。
受体结合信使分子时，可以引发一系列反应，进而传递信息。
2. 分子识别许多纳米结构可以用来识别其他分子，如抗体可以识别外来物质，红细胞受体可以识别氧气等。
这些结构也可以用来检测疾病和研究生物化学反应。
3. 生物催化一些纳米结构可以用来催化生物化学反应，如酶。
酶通过与底物相互作用，加速生物化学反应，把化学反应速率提高了10^7-10^10倍，并能在相对低的温度和压力下运行，因此对生命体系至关重要。
4. 结构稳定生物中的一些纳米结构可以用来保持结构稳定性，例如蛋白质中的交叉作用和细胞膜中的脂质双层。
这些结构可以保持分子的可控性和活性，使细胞可以在复杂的环境中生存。
三、研究纳米结构的方法为了研究生物中的纳米结构，科学家们采用了许多不同的方法。
其中一些最常用的方法包括：1. X射线衍射和散射X射线衍射和散射是研究生物中纳米结构的重要工具。
这些技术能够通过衍射或散射光线得到结构的信息，进而了解纳米结构的性质和功能。
2. 电镜电镜是一种常用的研究纳米结构的工具。
它能够通过高分辨率成像来揭示生物学样品的微观结构，甚至对于非晶态的样品也有很高的分辨率。
纳米结构单元
19
其生长的机理为： C-tube的纳米空间为上述气相化学反应提供了 特殊的环境，碳纳米管就像一个特殊的试管， 一方面提供反应所需要的碳源，消耗自身，另
一方面提供了反应的场所，同时，又限制了生
成物的生长方向，该方法可用于其他纳米线的 制备。
8/28/2013
20
⑵晶体的气-固（Vapor-solid,V-S)生长法
8/28/2013 45
GeO2纳米线
Ge 片 + O2
(a), (b) 600℃ 1h
(c)~(e) 700℃ 1h
(f) 800℃, 1 h 图1 不同反应温度和时间制备样品的SEM 图(喷金时间60 s)
8/28/2013
46
8/28/2013
47
拓展V-L-S和表面扩散协同作用的结果
中国科学 E 辑: 技术科学 2008, 38 (1), 24 ~ 35
的大小限定了后期按V-L-S机理生长的线 状物的直径。
8/28/2013 33
该制备技术具有一定的普适性，只要与欲制备的 材料能与其他组分形成共晶合金，则可根据相图
配制作为靶材的合金，然后按相图中共晶温度的
条件激光蒸发和凝聚，就可得到欲制备的纳米线。
该方法除第IV族外制备了GaAs， CaP， InP ， ZnSe ，CdSe， CdS，ZnS等纳米线。
1997年美国哈佛大学的科学家利用改进晶体气-
固生长法制备了定向排列的MgO纳米丝，具体方
法如下：
8/28/2013
21
MgO与C粉按1：3混合作原料，氩气作载气 加热到1200℃，则生成镁蒸气，镁气被氩气 传送到了远离粉末的“生长区”，“生长区” 放置了MgO(001)衬底.
纳米材料与技术纳米固体材料微结构
第七章纳米固体材料的微结构微结构⇒纳米材料的特性主要考虑：①颗粒的尺寸、形态及其分布，②界面的形态、原子组态或键组态，③颗粒内部和界面的缺陷种类、数量及组态，④颗粒内部和界面的化学组分、杂质元素的分布，等等。
一、纳米固体的结构特点二、纳米固体界面的结构模型三、纳米固体界面的X光研究四、纳米固体界面的电镜观察五、纳米固体界面的Mössbauer谱研究六、纳米固体界面的内耗研究七、纳米材料结构中的缺陷一、纳米固体的结构特点1. 结构组成颗粒组元+ 界面组元非晶界面：界面组元的原子排列，比非晶态的颗粒组元内的原子排列更混乱，无序程度更高。
微晶界面：原子结构取决于相邻晶体的相对取向以及边界的倾角。
✍若微晶粒随机取向，则所有的界面将具有不同的原子结构（原子间距也各不相同），则它们的组合（界面组元）具有连续分布的原子间距值⇒界面组元的微结构既与长程序的晶态不同，也区别于短程序的非晶态！2. 结构组成的比例d：颗粒组元的平均直径，设为5nmδ：界面的平均厚度（含3—4个原子层），设为1nm D：d + δ，为颗粒的平均直径，即为6nm则：界面组元与颗粒组元的体积之比R = 3 δ / d = 60 % 界面原子所占总的体积之比为：C i = 3 δ / (d + δ ) = 3 δ /D = 50 %单位体积（1cm3）内的界面面积：S i = C i / δ = 0.5 cm3 / 1 nm = 500 m2单位体积（1cm3）内包含的界面数（粒子为立方形）：N f = S i / D2 = 500 m2 / 36⨯10-18 m2≅ 1.4⨯1019 (个/ cm3)二、纳米固体界面的结构模型过剩体积的界面（大比表面积）对纳米材料的许多特性产生重要影响，界面的微结构在某种意义上是影响纳米材料性质的最重要的因素。
（颗粒内部结构无明显特殊性）✍纳米材料界面结构现仍处于争论阶段，尚未形成统一的结构模型。
纳米材料的结构与性质
（3） 表面接枝法
通过化学反应将高分子链接到无机纳米颗粒表
面上的方法。
种类：偶联剂接枝法、颗粒表面聚合生长接枝 法、聚合与表面接枝同步进行法。 用途：提高纳米颗粒在有机溶剂和高分子中的 分散性，可用途纳米添加剂。
实例：Au纳米颗粒的分散。
51
Worldwide government R&D spending on nanotechnology
18
2.2
纳米材料的性质
（1）特殊的光学性质 （2）特殊的热学性质 （3）奇特的磁学性质 （4）特殊的力学性质
（5）电学性质
19
（1） 特殊的光学性质 金属纳米粒子反射率低，均呈黑色。尺寸越小， 越黑。
微米级
纳米微晶 的吸收和 发射光谱 存在蓝移 现象。
纳米级 Y2O3:Eu3+
Y2O3:Eu3+
（3）光波传播时，会产生法拉第旋转、双折射效应等特性。
17
（5） 纳米态水
普通水为缔合分子的液体。 定义：纳米态水为纳米结构的水，避免氢键的形成 或水分子的缔合。 制备：将普通水雾化变成颗粒很小的水分子，以纳 米加工技术将其喷洒在特定包覆介质中。 特点：纳米水被强度高的纳米膜包覆，自身稳定性 好、尺度均匀。既非液态、也非固态和气态。 用途：可做发动机燃油添加剂。
存在于液体中的纳米粉体采用加入分散剂、共沸蒸馏、
有机物洗涤、超声分散等方法。
分散剂： （1）无机电解质：提高粒子表面电位的绝对值，产生强 的双电层静电斥力作用，如NaOH。 （2）有机高聚物：在颗粒表面形成吸附膜而产生强大的 空间排斥效应，如木质素。 （3）表面活性剂：在粒子表面形成一层分子膜阻碍颗粒 间相互接触，降低表面张力，减少毛细管吸附力和产生
纳米结构单元总结
纳米结构单元总结构成纳米结构的基本单元有：一、团簇原子团簇：几个到几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm）。
分类：一元原子团簇：又分为金属团簇、非金属团簇（碳簇和非碳簇）；{二元原子团簇：In n P m, Ag n S m；多元原子团簇：V n(C6H6)m；原子簇化合物：是原子团簇与其它分子以配位键结合的化合物。
1、C60（结构与性能）20世纪80年代发现（1985年），如今能大量制备并分离。
R.F.Curl、R.E.Smalley（美国）和H.W.Kroto（英国）获1996年诺贝尔化学奖。
富勒烯名字的来源。
具有很多独特性能：稳定性好，抗压性强，耐压程度远超过金刚石，具有超导性，其溶液具有光限性。
2、纳米洋葱状富勒烯（NOLFs）具有很多用途。
二、人造原子三、一维纳米材料1. 碳纳米管纳米管： 2. 其他纳米管3. 纳米线、纳米丝、纳米棒、纳米带、同轴纳米电缆1、碳纳米管椅形单壁Z字形结构手性多壁单壁碳管的管束、管束环电弧放电法，用的最多，介绍了原理单壁碳管的制备 化学气相沉淀法激光蒸发法提纯与分离多壁碳管纳米碳管结构的稳定性 悬键少 极限直径应力能大纳米碳管直径的理论极限值大约为0.4nm 。
纳米碳管的特性A 、 电磁特性B 、 力学性能及测量方法，解释优良力学特性的理由C 、 热学性能D 、 光学性能E 、 其它2、其它纳米管（重点介绍了导电聚合物）（1） 模板制备法A 、 多孔模板法 有机模板：聚合物刻蚀膜，聚碳酸酯或聚酯制备的多孔过滤膜 无机模板：多孔氧化铝膜B 、 线模板法C 、 合成：电化学法化学合成法分子锚的作用解释管的形成。
聚合物链带阳离子，而管壁为阴离子型。
（2） 非模板制备法（自组装法）3、纳米棒、纳米丝、纳米线划分无统一标准。
有的将长度小于1微米的称为纳米棒，反之为纳米丝或纳米线。
4、同轴纳米电缆{{ {。
纳米结构单元-ok
当 半 导 体 纳 米 微 粒 的 粒 径 r<B （ B 为 激 子 玻 尔 半 径 :
B=h2/e2(1/me-+1/mh+ ），电子的平均自由程受小粒径的
限制，局限在很小的范围，空穴很容易与它形成激子，引 起电子和空穴波函数的重叠，容易产生激子吸收带。因此 空穴约束电子形成激子的概率比常规材料高得多，导致纳 米材料激子的浓度较高。颗粒尺寸越小，形成激子的概率 越大，激子浓度就越高。这种效应称为量子限域效应。
性很强的晶体。
其形状可以是多种多样的，已知的有球状、骨架状、 洋葱状、管状、层状、线状等。除惰性气体外，均是 以化学键紧密结合的聚集体。
二、团簇的研究简史
团簇研究可追溯到20世纪50年代后期，Pecker等人最初
采用超声喷注冷凝法获得了Ar和He的团簇。
六 十 年 代 ， 人 们 在 星 际 物 质 中 发 现 HCN ， HC3N ，
(1)一元团簇，如：Nan, Nin，C60, C70 (2)二元团簇，如：InnPm, AgnSm (3)多元团簇，如：Vn(C6H6)m (4)原子簇化合物，是团簇与其它分子以配位键结合形成 的化合物(例如，某些含Fe-S团簇的蛋白质分子)。
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同 于分子间以弱的相互作用结合而成的聚集体以及周期
Gap Energy of nano-particle
h2
E(R) = Eg+ 8m*R2 1 = 1 + 1 m* me mh
1.8e2 R + ..
CdSe absorptance optical spectra as a function of nanocrystallite diameter.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
厚膜模板组装法
例②
氧化铝模板在丙 水溶液聚合 烯腈饱和水溶液 中浸泡
聚丙烯腈纳 750℃空气 纳米碳管阵 米管阵列 1h、 N2 1h 列体系
溶Al2O3
复合丝
组装Au丝
组装丙烯腈管
碳管
聚丙烯腈管 碳管 Au丝
厚膜模板组装法
a. 电化学沉积法
? 用途：组装金属和导电高分子的丝和管 ? 步骤：先在模板的一面用溅射或蒸发法涂上一层金属薄
膜作为电镀的阴极，选择被组装金属的盐溶液作为电解 液，在一定电解条件下组装。 ? Au纳米管：先在孔壁上形成分子锚(氢硅烷与-OH形成)， 使金属优先在管壁上形成膜。
厚膜模板组装法
介孔固体组装法
（1）介孔固体 /纳米颗粒复合材料的制备
①纳米ZnO/介孔SiO2固体组装体系
介孔SiO2固体制备
溶胶－凝胶法＋超临界干燥法， 孔隙率93％，孔径2～30nm
ZnSO4溶液的浸泡
稀氨水沉淀Zn(OH)2
473-873K退火 纳米ZnO/介孔SiO2复合体
荧光增强效应，紫外－可见光范 围荧光测量表明在约500nm可见 光范围内出现一个强的绿光带
b. 无电沉积（无电镀法） ? 二要素：敏化剂：Sn2+，还原剂 ? 步骤：将模板先在敏化剂溶液中浸泡，孔壁上的胺(H2N)、
羰基(-C=O)和OH基与敏化剂复合，再放Ag+离子溶液中， 在孔壁上形成不连续分布的纳米Ag粒子，再放入含有还原 剂的金属无电镀液中，形成金属管。 ? 缺点：只能调节纳米管内径尺寸，不能调节长度
介孔固体组装法
③环境敏感特性 a. 透明与不透明可逆转变的光开关效应
纳米Ag/SiO2介孔复合体
相对湿度>60％
纳米结构体系的基本含义
? 定义：以纳米结构单元为基础，按照一定规则排列成的结构 体系。
? 特点：既具有纳米结构单元的特征，如量子尺寸效应、小尺 寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，又具有纳米结构 组合引起新的效应，如量子耦合效应、协同效应等。
? 分类： ①纳米组装体系； ②纳米自组装体系。
? 应用：纳米器件(如单电子晶体管、超小型激光器等)。
700℃高 温炉中
乙烯、丙烯气体在模板孔洞内发 生热解，在孔洞壁上形成碳膜
②无电镀法先合 成Au的管和丝
模板溶去
气相沉积法
Au丝和管 涂TiS2
Au/TiS2复合丝和管
厚膜模板组装法
（4）厚膜模板组装的优点
a. 可以组装各种材料，例如金属、合金、半导体、导电高 分子、氧化物、碳及其他材料的纳米结构体系
（3）介孔固体 /纳米颗粒复合材料性能
①光致荧光增强效应
幅度孔隙率调制 掺杂SiO2介孔固体荧光增强： 位置退火处理调制
例：掺杂Al3+－SiO2气凝胶比未掺杂SiO2气凝胶荧光增强10倍
②光吸收边和光吸收带位置的可调性
例：(i) 纳米Cr2O3/介孔Al2O3复合材料 介孔Al2O3+Cr(NO3)3水溶液中浸泡
在氧气中热解温度? 光吸收带蓝移
在氢气中还原 光吸收带红移
介孔固体组装法
例（ii) 纳米Ag/SiO2介孔复合体系 当纳米Ag(3nm)复合量由0到5wt%变化时，带边的位置可从近紫外至整 个可见光范围移动，且随着复合量的增加，红移的幅度也增加。
通过热处理和介孔中所含异质纳米颗粒的量的 控制实现对光吸收边和吸收带位置的调制
b. 可合成分散性好的纳米丝和纳米管以及它们的复合体系 c. 可以获得其他手段，例如平板印刷术等难于得到的直径
极小的纳米管和丝(3nm)，还可以改变模板柱形孔径的 大小来调节纳米丝和管的直径。 d. 可制备纳米结构阵列体系 e. 可以根据模板内被组装物质的成分以及纳米管、丝的纵 横比的改变对纳米结构体系性能进行调节
纳米组装体系的制备方法
? 纳米组装体系：利用物理和化学的方法 人工地将 纳米结构单元在一维、二维和三维空间组装排列 成具有纳米结构和特定功能的体系
厚膜模板组装法 ? 制备方法： 介孔固体组装法
纳米多层膜制备法 扫描探针显微镜技术
厚膜模板组装法
（1）模板的制备和种类
a. 氧化铝模板（有序孔洞阵列）
▲制备：经退火的高纯铝片(99.999%)在低温的草酸或硫酸溶液中经阳极腐蚀获得氧 化铝多孔模板
▲孔洞形状：六角柱形
b. 高分子模板
厚膜模板组装法
制备：聚碳酸酯、聚酯等高 分子膜，经核裂变碎 片轰击使其出现许多 损伤的痕迹，再用化 学腐蚀方法使痕迹变 成孔洞。
孔洞：圆柱形、排列无序且有 孔通道交叉现象
厚膜模板组装法
d. 溶胶-凝胶法
? 步骤：将氧化铝模板浸泡在溶胶中使溶胶沉积在模板孔洞的壁上， 热处理成纳米管（浸泡时间短）或纳米丝（浸泡时间长）
? 用于制备无机半导体：如TiO2、ZnO、WO3等
e. 化学气相沉积法（CVD法）
一般化学气相沉积法的沉积速度太快，将孔洞口堵塞。
例：①Al2O3模板
厚膜模板组装法
例：Au纳米线阵列的制备
经聚乙烯基吡啶表面 改性聚碳酸酯膜(孔径 10～30nm)
厚膜模板组装法
c. 化学聚合 通过化学或电化学法使模板孔洞内的单体聚合成高聚物 的管或丝 化学法步骤：模板在单体和引发剂的混合溶液中浸泡， 加温或光引发聚合，聚合物纳米管或丝的阵列体系 电化学步骤：在模板一面涂上金属作为阳极，通电使模 板孔洞内的单体聚合形成管或丝的阵列
c. 金属模板
厚膜模板组装法
(b)
(c)
(a)
(f)
(e)
(d)
厚膜模板组装法
（2）厚模板组装技术要点
①化学前驱液应与孔壁具有浸润性 ②应控制在孔洞内沉积速度的快慢，沉积速度过快，会造
成孔洞内的堵塞，致使组装失败 ③控制反应条件，避免被组装介质与模板发生化学反应
（3）厚模板组装方法
a. 电化学沉积法 b. 无电沉积（无电镀法） c. 化学聚合 d. 溶胶-凝胶法 e. 化学气相沉积法（CVD法）
介孔固体组装法
② 掺杂介孔SiO2的制备
SiO2前驱体＋Ce(SO4)2 （Si:Ce=100:1)
水解、胶凝
+AlCl3 (Al:Ce=10:1)
Ce4+掺杂介孔SiO2固 体
Al3+、Ce4+掺杂介孔SiO2
荧光增强
SiO2前驱体＋Ce(NO3)3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
水解、胶凝
Ce3+掺杂介孔SiO2固 体
介孔固体组装法