走进纳米世界

纳米材料的表征与应用
——纳米材料的检测方法
尺寸 评估
界面 分析
纳米
成分 分析
材料
形貌 分析
结构 分析
纳米微粒尺寸的评估
• 透射电镜观察法 • X射线衍射线宽法 • 比表面法 • 光子衍射散射 • X射线小角散射法 • 沉降法
纳米材料的形貌分析
• 扫描电子显微镜SEM • 透射电子显微镜TEM • 扫描探针显微镜SPM • 扫描隧道显微镜STM • 原子力显微镜AFM
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构 筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组 装体系、薄膜嵌镶体系等。
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纳米的概念
▪ 纳米是英文nanometre的音译. ▪ 纳米源自拉丁语“NANO”,意为“矮小”. ▪ 纳米是一种物理度量定位,是一长度单位. ▪ 1纳米(1nm)=10-9m=10Å ▪ 1纳米=1000皮米(picometre) ▪ 1皮米=1000飞米(femtometre) ▪ 1飞米=1000阿米(attometre)
这个现象也被称为“莲叶效应”
莲叶一尘不染的原因
通过电子显微镜，我们可以观察到莲叶表面存在着多重纳 米和微米级的超微结构。荷叶表面上有一些微小的蜡质颗 粒，并覆盖着无数尺寸约10 个微米的突包，每个突包的 表面又布满了直径为几百纳米的细绒毛。使突包间的凹陷 部分充满空气，这样就紧贴叶面形成一层只有纳米级厚的 空气层，从而使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水 等落在叶面上后，不会大范围直接接触叶面，而要隔着一 层极薄的空气，并且其能接触的点也只是叶面上若干个凸 起的点。
利用“罗盘”定位的蜜蜂
蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，这 种磁性的纳米粒子具有类似指南针的 功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定 其周围环境，利用在磁性纳米粒子中 存储的图像来判明方向。当蜜蜂采蜜 归来时，实际上就是把自己原来存储 的图像和所见到的图像进行对比，直 到两个图像达到一致，由此来判断自 己的蜂巢。利用这种纳米磁性颗粒进 行导航，蜜蜂可以完成数公里的旅程 。
池塘中的溜冰者—水黾
小型水生昆虫水黾不仅能 在水面上滑行，而且还会 像溜冰运动员一样能在水 面上优雅地跳跃和玩耍。 它的高明之处是，既不会 划破水面，也不会浸湿自 己的腿。
水黾行于水面的的秘诀
在高倍显微镜下发现，水黾腿部上有数千根按同一方向排 列的多层微米尺寸的刚毛。这些像针一样的微米刚毛的表 面上形成螺旋状纳米结构的构槽，吸附在构槽中的气泡形 成气垫，这些气垫阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾 腿的超疏水特性（超强的不沾水的特性）。正是这种超强 的负载能力使得水黾在水面上行动自如，即使在狂风暴雨 和急速流动的水流中也不会沉没。
纳米技术是指在1－100nm这一尺度范围内对原子、分子 进行操纵和加工的技术，包括纳米结构和纳米材料。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范 围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大 约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。纳米尺 度材料三维为纳米粒子，二维为纳米薄膜，一维为纳米 线。
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量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能 级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁 能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会 出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、 电、超导电性能变化。如，有种金属纳米粒子吸收光线 能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种 粒子，水就会变得完全不透明。
• X射线衍射分析 • 激光拉曼分析 • 微区电子衍射分析
纳米材料在不同领域的应用
A
电子信息领域
B
航空航天领域
C
环保和能源领域
D
生物医药领域
纳米材料在电子信息领域中的应用
• 单电子晶体管 • 单电子存储器 • 纳米芯片 • 纳米电脑 • 光子晶体 • 量子点激光器 • 光电脑 • 纳米磁性材料
纳米材料在航空航天领域的应用
纤尘不染的荷花 池塘中的溜冰者—水黾 飞檐走壁的壁虎 贝类--娴熟的粘合高手 利用“罗盘”定位的蜜蜂 会吐丝的蜘蛛 五彩斑斓的蝴蝶 眼观六路的蛇尾海星 细菌---世界上“跑”得最快的生物
纤尘不染的荷花
一提到莲花，人们很自然地 就会联想到荷叶上滚动的露 珠。20 世纪70 年代，植物 学家在研究植物叶面时发现 ，光滑的叶子表面有灰尘， 要先清洗才能在显微镜下观 察，而莲叶等叶面却总是干 干净净。
纳米材料可能存在的危害
纳米技术生产的产品由于构成微粒的尺寸太小，也可能直 接对人体产生威胁。一般的物品拿在手上，由于构成的微 粒大小是微米或以上量级的尺寸，不会渗透到人的皮肤细 胞内，以致进入血液。但是纳米技术生产的产品，由于构 成微粒在纳米量级，完全有可能通过皮肤接触进入人体。 如果这种物质有毒的话，人体与之接触将是十分危险的， 所以，生产和处理这种纳米产品，其生产厂房、放置措施 都将有极其严格的规定。
眼观六路的蛇尾海星
蛇尾海星是一种碟形的带甲壳的海底生 物。蛇尾海星身上面长满了“眼”，即 数以万计的完美的微型透镜，研究表明 ，一只蛇尾海星身上的这种透镜数目大 约有5万到10万，它们都是由纳米晶体 的碳酸钙组成；这种完美的光敏感微型 透镜系统，是海星生长过程中，身体表 面纳米结晶化的结果；为了防止不必要 的色边，结晶化过程中，透镜内还吸收 了适量的镁，这既可以帮助海星更有效 地过滤光线，又可以校正透镜的“球面 像差”，进而提高发现天敌的效率。
飞檐走壁的壁虎
壁虎可以在任何墙面上爬行， 反贴在天花板上，甚至用一只 脚在天花板上倒挂。壁虎脚上 覆盖着十分纤细的茸毛，可以 使壁虎以几纳米的距离大面积 地贴近墙面。这种附着力可通 过“剥落”轻易打破，就像撕 开胶带一样，因此壁虎能够穿 过天花板。
壁虎脚上的秘密
经研究发现,壁虎脚上有无数微 米级的刚毛阵列,而这些刚毛每 个又由无数纳米级的刚毛排列组 成,如此众多的微结构单元 ,最 终使得壁虎脚能够通过范德华力 粘附在物体上,使其在光滑平面 上行走自如。
小尺寸效应
小尺寸效应也称为体积效应，是指当纳米微粒尺寸与光 波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度 、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性 边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能 呈现出“新奇”的现象。如，铜颗粒达到纳米尺寸时就 变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20nm时却开始导 电。又如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石 制品还要坚硬。
细菌---世界上“跑”得最快的生物
细菌的个头虽小，但它们的运动速度却相 当惊人，细菌世界的成员众多，其运动方 式和机制上也存在差异，但大部分能够运 动的细菌都是依靠自身的运动器官—鞭毛 的作用。鞭毛是一种长的蛋白丝状物，它 附着于细菌的外表，一般长15-20微米，直 径20纳米左右。细菌鞭毛的功能相当于船 的螺浆，在水中可以高速旋转从而推动菌 体前行，因此水环境是鞭毛细菌自由驰骋 的天地。在科学家的眼中，基体简直就是 一台精巧的纳米分子马达。
会吐丝的蜘蛛
自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左 右，是真正的纯天然纳米纤维。蜘蛛 的腹部通常有几种腺体，被称为吐丝 器。各种腺体产生不同类型蛛丝，腺 体顶端有喷丝头，其上有数千只小孔 ，喷出的液体一遇空气即凝结成黏性 强、张力大的蜘丝。蜘丝由丝纤朊蛋 白质组成。通常，一千根蜘丝合并后 比人的头发丝还要细十分之一。除了 用于捕捉飞虫外，几乎所有的蜘蛛都 还用蛛丝作为指路线、安全绳、滑翔 索。
费米能级
• 费米能级等于费米子系统在趋于绝对零度时的化学势；但是在半导 体物理和电子学领域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势 的代名词。
• 费米子可以是电子、质子、中子（自旋为半整数的粒子） • 对于金属，绝对零度下，电子占据的最高能级就是费米能级。 • 费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是
五彩斑斓的蝴蝶
研究表明，蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自 一种微小的鳞片状物质，它们就像圣诞 树上小小的彩灯，在光线的照耀下能折 射出斑斓的色彩。一般来说，蝴蝶翅膀 由两层仅有3至4微米厚的鳞片组成，上 面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替，每 个鳞片的构造也很复杂。而下一层则比 较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排 形成了所谓的光子晶体，也就是纳米结 构。通过这种结构，蝴蝶翅膀能捕捉光 线，仅让某种波长的光线透过。这便决 定了不同的颜色。
贝类--娴熟的粘合高手
贝类堪称纳米粘合技术的高手。当它想 把自己贴在一块岩石上时，就会打开贝 壳，把触角贴到岩石上，它将触角拱成 一个吸盘，然后通过细管向低压区注射 无数条黏液和胶束，释放出强力水下胶 粘剂。这些黏液和胶束瞬间形成泡沫， 起到小垫子的作用。贝类通过弹性足丝 停泊在这个减震器上，这样，它们就 可以随波起伏，而不至于受伤。这种 牢固的胶粘效果就来自黏液和岩石纳 米尺度下分子之间的相互作用。
• 纳米粉体：金属纳米粉体（铁、铝、镁等）和非金属纳
米粉体（TiO₂、Al2O3）
• 纳米涂层：（保护涂层、隐身涂层等） • 纳米结构材料：纳米复合材料 • 纳米功能材料：新型陶瓷、新型玻璃 • 纳米机器人：分子机器人 • 碳纳米管：太空缆绳
纳米材料在环保和能源领域的应用
纳米粒子光催化 汽车尾气处理：净化传感器 脱硫工艺：催化、吸附、助燃催化 污水处理：吸附、净化、除菌 清洁能源：氢 绿色化学能源：燃料电池
纳米材料的成分分析
• 原子吸收光谱AAS • 电感耦合等离子体原子发射光谱ICP • 电感耦合等离子体质谱ICP-MS • X射线荧光光谱XFS • 电子探针微区分析
纳米材料表面与界面分析
• X射线光电子能谱XPS • 俄歇电子能谱AES • 静态二次离子质谱SIMS • 离子散射谱ISS
纳米材Байду номын сангаас的结构分析
1/2。 • n型半导体费米能级靠近导带边，过高掺杂会进入导带。 p型半导
体费米能级靠近价带边，过高掺杂会进入价带。
宏观量子隧道效应
• 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。
纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可 以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称 为纳米粒子的宏观量子隧道效应。
自然界中的纳米材料
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纳米材料的特性：
表面效 应
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宏观量子隧 道效应
小尺寸效应
DDiiaaggrraamm 22 量子尺寸效应
表面效应
• 纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变
小而急剧增大，导致比表面积显著的增加，另 外表面原子由于配位不足导致大量的不饱和键 产生，而是表面原子具有很高的活性，使得材 料表现出不一样的性质。如金属纳米粒子在空 中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。
走进纳米世界
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Contents
1 纳米的概念 2 纳米材料的特殊性质 3 自然界中的纳米材料 4 纳米材料的表征技术及应用 5 纳米材料可能存在的危害
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纳米的概念
纳米（nm）实际上是一种长度单位，1纳米仅等于十亿 分之一米，人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。 纳米小得可爱，却威力无比，它可以对材料性质产生影 响，并发生变化，使材料呈现出极强的活跃性。