第八章--纳米结构材料的制备-2013
纳米结构材料的设计和制备
纳米结构材料的设计和制备纳米结构材料是指至少有一维尺寸在1-100纳米之间的材料，具有特殊的电子、光学、磁学、力学和化学等性质。
因此，纳米结构材料在能源、环境、医学、电子、信息、军事等领域的应用具有广阔的前景。
但是，纳米材料的制备过程比较复杂，涉及制备工艺、材料性能、环境安全等方面。
本文将从纳米结构材料的设计和制备两个方面进行分析。
一、纳米结构材料的设计纳米结构材料的设计涉及到材料的组成、形貌、结构等方面，其中最为关键的是纳米结构的形貌和结构。
一般来讲，纳米结构材料可以分为球形、纤维状、片状等不同形态，而不同形态的纳米结构材料具有差异的物理和化学性质。
因此，在纳米结构材料的设计过程中，需要考虑到组成、形状、尺寸、结构等因素。
例如，纳米球形材料广泛应用于催化剂、生物传感器、医学成像等领域。
而对于纤维状结构的纳米材料，由于具有比普通材料更大的表面积，因此具有更好的吸附、分离等性质，并广泛应用于各种过滤器、分离器、催化剂等领域。
此外，片状纳米材料的电声特性、光学特性等也具有重要的应用价值。
纳米结构材料的设计不仅仅是形态设计，还包括结构设计。
例如，金属纳米结构材料中的钯，可以通过改变其结构来提高其催化活性。
又如，CNTs的结构、直径、长度、掺杂等因素是影响其电子、力学、热学等性质的关键因素。
二、纳米结构材料的制备制备纳米结构材料的方法有很多，例如溶液气相法、机械合成法、物理气相法、电化学合成法、热分解法等。
这些方法有着各自的特点和局限性。
针对不同的纳米材料需求，需要选择不同的方法。
以下是纳米结构材料的制备方法简介：1. 溶液气相法溶液气相法通常是通过溶液气化析出纳米材料，在控制反应环境的条件下，可以得到一定粒度和尺寸的纳米材料。
例如，采用沉淀法，通过调节pH值、温度、时间等控制反应条件，可以制备出不同形态、不同大小的纳米材料。
此外，还可以通过光化学法、硅氧烷法、沉积法等方式制备纳米结构材料。
2. 机械合成法机械合成法通常是通过机械磨损、高能球磨等方式制备纳米材料。
纳米材料的制备方法
纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法多种多样，具体选择的方法取决于所需纳米材料的性质、应用需求以及实验条件等因素。
以下是几种常见的纳米材料制备方法：1.化学合成法：-溶液法：将适当的化学物质在溶剂中混合反应，控制反应条件如温度、pH值等，通过溶液中原子、离子或分子的自组装形成纳米结构。
常见的溶液法包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、沉积法等。
-气相沉积法：将气态前驱物质通过化学反应沉积到基底表面，形成纳米结构。
气相沉积法包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等。
2.物理方法：-机械球磨法：通过机械力的作用使粉末颗粒在球磨罐中产生碰撞和摩擦，从而实现颗粒的细化和形态的改变，制备纳米颗粒或纳米结构。
-溅射法：利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材表面原子或分子脱落并沉积到基底表面，形成纳米薄膜或纳米结构。
3.生物合成法：-利用生物体内的生物合成过程，通过调控生物体的生理条件或添加适当的试剂，使生物体产生纳米材料。
常见的生物合成法包括植物合成、微生物合成等。
4.模板法：-利用模板的空间排列结构和特定的化学性质，将原料物质定向沉积或填充到模板孔道中，通过模板的模板效应制备纳米结构。
常见的模板法包括硅模板法、自组装模板法等。
5.激光法：-利用激光束对物质进行光照，控制激光的能量和焦点位置，使材料在局部区域发生化学或物理变化，形成纳米结构。
常见的激光法包括激光烧蚀、激光诱导化学气相沉积等。
这些制备方法各有特点，可以根据纳米材料的具体要求选择适合的方法进行制备。
同时，纳米材料的制备过程中需要注意控制反应条件、纯度和结构等关键因素，以确保制备得到高质量的纳米材料。
纳米材料的制备与应用课件
纳米材料的制备与应用课件
纳米材料的制备与应用课件
2. 纳米微粒的物理特性
纳米微粒具有大的比表面积，表 面原子数、表面能和表面张力随粒径 的下降急剧增加，小尺寸效应，表面 效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道 效应等导致纳米微粒的热、磁、光、 敏感特性和表面稳定性等不同于常规 粒子，这就使得它具有广阔的应用前 景。
2.4 表面活性和敏感特性
纳米微粒具有高的表面活性。金属纳米微 粒粒径小于5nm时，使催化性和反应的选 择性呈特异行为。 例如，用Si作载体的Ni纳米微粒作催化剂 时，当粒径小于5nm时，不仅表面活性好， 使催化效应明显，而且对丙醛的氢化反应 中反应选择性急剧上升，即使丙醛到正丙 醛氢化反应优先进行，而使脱羰引起的副 反应受到抑制。
纳米材料的制备与应用课件
美国国家纳米计划2000年和2001 年的部门预算
2000 年预算 2001 年预算 增长率
国家科学基金会 0.97 亿$ 2.17 亿$ 124%
国防部
0.70 亿$ 1.10 亿$ 57%
能源部
0.58 亿$ 0.94 亿$ 66%
航天航空
0.05 亿$ 0.20 亿$ 300%
纳米材料的制备与应用课件
1990年4月IBM 公司的 科学家用35个 氙原子排列 成“IBM”字样, 开创了人类 操纵单个原子 的先河.
纳米材料的制备与应用课件
（3）纳米生物方面：纳米科技可使基因 工程变得更加可控，人们可根据自己的 需要，制造出多种多样的生物“产品”。 （4）纳米微机械和机器人方面：可以利 用纳米微电子学控制形成尺寸比人体红 血球小的纳米机器人，直接打通脑血栓， 清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过 把多种功能纳米微型机器注入血管内， 进行人体全身检查和治疗。药物也可制 成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，提 高医疗效果，减少副作用。
核壳结构纳米复合材料的制备
核壳结构纳米复合材料的制备核壳结构纳米复合材料是一种由核部分和壳部分组成的材料，核部分指的是材料的中心部分，壳部分则包裹在核部分的外面。
核壳结构的设计可通过调控核心和壳层的材料选择、粒径控制和合成方法等方式实现。
本文将介绍基于不同制备方法的核壳结构纳米复合材料的制备。
1.纳米颗粒生长法纳米颗粒生长法是一种常用的制备核壳结构纳米复合材料的方法。
该方法主要包括溶胶-凝胶法、化学沉积法等。
这些方法是通过调节核心和壳材料的浓度和反应条件来实现的。
溶胶-凝胶法是一种通过将核心材料溶解在合适的溶液中，然后逐渐加入壳材料溶液而形成的方法。
在该过程中，核-壳界面通过溶胶-凝胶反应来实现。
例如，如果需要制备二氧化硅核壳结构纳米复合材料，可以先将二氧化硅纳米颗粒溶解在水中，然后逐渐加入硅烷溶液来形成核壳结构。
化学沉积法是一种通过在核材料表面沉积外壳材料而形成核壳结构的方法。
该方法通常包括还原法、沉淀法等。
例如，要制备银-二氧化硅核壳结构纳米复合材料，首先可以将银纳米颗粒还原添加到二氧化硅溶液中，然后通过加热或添加还原剂来沉积银颗粒在二氧化硅表面。
2.逆微乳液法逆微乳液法是另一种制备核壳结构纳米复合材料的方法。
该方法主要通过微乳液反应来实现。
微乳液是由表面活性剂和溶剂组成的稳定体系，其中油型微乳液是最常用的。
在这种方法中，核材料溶解在油型微乳液中，然后通过调节溶剂和表面活性剂的类型和浓度，以及反应条件来沉积壳材料。
例如，要制备金-聚合物核壳结构纳米复合材料，首先可以将金纳米颗粒溶解在油相微乳液中，然后通过控制聚合物的沉积条件来形成核壳结构。
3.水热法水热法是一种常用的制备核壳结构纳米复合材料的方法。
这种方法主要通过在高温和高压下进行反应来实现。
例如，要制备锌-氧化锌核壳结构纳米复合材料，可以将锌粉和氧化锌纳米颗粒溶解在水中，然后在高温和高压下进行反应。
在反应过程中，锌粉会作为核材料，而氧化锌纳米颗粒会沉积在锌粉的表面形成壳层。
第八章自组装纳米加工技术
3) 组成整体组织或系统的个体必须能够自由运动或迁移。只有个体 能够自由运动才能发生个体之间的相互作用，才能有自组装过 程发生，所以分子或微观粒子的自组装一般是在液体环境中或 固体表面发生。
3) 自组装形成的整体组织或系统是个体相互作用的热力学平衡 或能量平衡的结果。在平衡条件下，个体之间保持等距离和 长程有序周期分布，而不是随机聚集。
range ordered)还是相当困难的。在大多数情况下， 自组装必须与 传统微纳米加工技术相结合，即所谓“自上而下与自下而上相结合”， 以保证自组装的结构有实用价值。
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10.2 自组装过程
自组装是一个非常广义的概念，任何一种由独立个体自发地（无人为 干涉）形成一个组织或系统的过程都可以称之为自组装过程。
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10.1.2 纳米粒子自组装
实现纳米粒子自组装需要满足3个条件: ①纳米粒子必须能够自由运动，以发生相互作用。为了满足这一 条件， 纳 米 粒 子 通 常 置 于 液 体 中 。含有纳米粒子的悬浮液一 般 呈胶体状，所以用于自组装的纳米粒子一般又称为“胶体粒子 ” （colloidal particle)，由胶体粒子组装形成的类晶体结构也称为
纳米加工意义上的自组装一般具有如下4个特征：
1)
由个体集合形成整体组织或系统的过程是自发的、自动的。
自发意味着一旦条件满足,个体组装成整体的过程自然起始；自动
意味着在组装过程中不需要人为干涉进程。因此，自组装是个
体之间相互作用的结果。
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2) 个体之间的结合是非共价键力的结合。微观层次的 自组装依赖于分子间的吸引或排斥力，其中最常见的是氢 键（hydrogen bond)作用力，即通过氢键将不同分子链接成 不同分子结构系统。氢键是一种非共价键（non- Covalent bond )，其键合力只有共价键力的1/20。非共价键结合一般 在常温常压条件下就可以发生， 而共价键结合如晶体生长通 常需要在高温或高压条件下进行，所以晶体生长不属于纳 米加工意义的自组装。除此之外，纳米粒子间的自组装依 赖于范德瓦耳斯力(Van der Waals force)、表面张力（ surface tension)、毛细管力或弱静电作用力等短程作用力。 介观与宏观层次的自组装依赖于电磁力或重力等长程作用力 [3]。
纳米结构脂质载体的制备材料
纳米结构脂质载体的制备材料纳米结构脂质载体的制备材料主要包括磷虾油、L3-二硬脂酸甘油酯、水和乳化剂。
这些材料在制备过程中需要按照一定的比例和条件进行加热、搅拌和均质等操作，以形成粒径均匀、稳定性好的纳米结构脂质载体。
纳米结构脂质载体的制备工艺在制备纳米结构脂质载体时，通常采用薄膜分散法、超声波法、热融法等方法。
以下是具体制备工艺的介绍：1.薄膜分散法：首先将磷虾油、L3-二硬脂酸甘油酯和乳化剂混合均匀，然后将混合物均匀涂布在玻璃板上，形成薄膜。
接着，将薄膜在一定温度下干燥，得到纳米结构脂质载体。
2.超声波法：将磷虾油、1.3-二硬脂酸甘油酯、水和乳化剂混合均匀，然后在超声波作用下进行乳化。
经过一定时间的超声处理，得到纳米结构脂质载体。
3.热融法：将磷虾油、L3-二硬脂酸甘油酯、水和乳化剂混合均匀，然后加热至完全溶解。
待溶液冷却至一定温度后，加入乳化剂，并搅拌均匀。
最后，将混合物在一定温度下干燥，得到纳米结构脂质载体。
纳米结构脂质载体的性能与应用纳米结构脂质载体具有良好的载药性能、生物相容性和靶向性，因此在药物传递、化妆品、食品等领域具有广泛的应用前景。
1.药物传递：纳米结构脂质载体可以提高药物的生物利用度和靶向性,减少药物在体内的分布和排泄，从而降低药物的毒副作用。
此外，纳米结构脂质载体还可以实现药物的控制释放，延长药物在体内的有效作用时间。
2.化妆品：纳米结构脂质载体具有良好的透皮性能和促渗性能，可用于制备高效、安全的化妆品。
例如，将纳米结构脂质载体应用于防晒霜、抗衰老化妆品等，可以提高产品的功效和舒适性。
3.食品：纳米结构脂质载体可用于提高食品中营养成分的生物利用度和稳定性。
例如，将纳米结构脂质载体应用于食用油、保健品等，可以提高食品的营养价值和口感。
4.纳米结构脂质载体还可应用于其他领域，如保健品、生物成像等。
通过调控纳米结构脂质载体的组成、结构和性能，可以实现其在不同领域的广泛应用。
总结纳米结构脂质载体作为一种新型载体材料，具有广泛的应用前景。
材料科学中的纳米结构设计和制备方法
材料科学中的纳米结构设计和制备方法随着纳米科技的迅猛发展，纳米结构材料已经成为材料科学研究的热点之一。
纳米结构材料具有体积小、表面活性高、物理、化学、生物等性质的特殊性质，被广泛应用于生物医学、能源、环境、信息等领域。
本文将介绍几种纳米结构设计和制备方法。
一、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种制备多种纳米材料的重要手段。
其具体步骤为：首先是通过溶胶凝胶法得到一个透明胶体溶液，然后将其加热至约600℃左右进行七光子分解。
该方法的优点是比较简单，可以制备出大量、高质量的纳米材料。
不过，与其他制备方法相比，制备过程中易产生一些有害的气体，需要进行高温处理，需要注意防护措施。
二、化学析出法化学析出法是制备各种纳米结构的常见方法之一。
首先是将金属样品溶解在盐酸中的溶液中，然后加入一定量的NaOH溶液。
在反应中，产生老鹰石型纳米结构，然后加入酸和钠盐，最后在高温才能得到一定的结晶。
这种方法具有制备纯度高、晶型良好、形貌可控的优点。
然而其过程中酸碱反应有时难以控制，需要在制备过程中一直进行监测。
三、热电化学法热电化学法是一种制备低维纳米结构材料的有效方法之一。
其通过热电化学反应在电极上生成纳米结构材料。
一般来说，通过对电极进行热处理，这些材料形成了微米甚至纳米级的结构尺寸。
相对于常规制备方法来说，采用热电化学法制备的纳米材料具有粒径分布窄、颗粒均匀等优点。
该方法难度较大，需要考虑控制反应的温度、电压、电流等方面的细节问题。
四、物理气相沉积法物理气相沉积法（PVD）是一种利用激光切割技术来制备薄膜材料的方法。
它利用物理真空中的放电过程，产生活泼烟雾进入工作室，由一个高能水银灯照射，将烟雾转化为薄膜。
该方法的优点有制备快、有利于厚度的精确控制以及易于实现大面积均匀镀膜等。
但背景增强等现象也是物理气相沉积法难以避免的问题。
以上介绍了几种在材料科学中的纳米结构设计和制备方法，每一种方法各自有其制备过程与特点。
纳米材料将成为材料技术未来发展的一个重要方向，各种制备技术的发展也将会贡献更多的可能性和机遇。
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。
能源材料中的纳米结构设计与制备
能源材料中的纳米结构设计与制备一、介绍随着全球经济的发展和人口的增加，对能源的需求也随之增长，能源材料的研究和开发变得越来越重要。
纳米材料在能源领域具有广泛的应用，其与传统材料相比，具有更强的性能和更优异的性质。
设计和制备纳米结构材料是实现能源材料高性能、高效能转换的关键。
二、能源材料中的纳米结构1. 纳米结构的定义纳米结构一般是指尺寸在1-100纳米的材料，其比表面积较大，具有特殊性质和新颖的物理、化学性质。
2. 催化剂纳米材料广泛应用于催化剂领域。
通过纳米结构的设计和制备，可以使催化剂具有更高的催化活性和选择性。
例如，利用纳米结构可以制备出具有高比表面积、稳定性和活性的氧化物型催化剂。
3. 电池电池领域是纳米结构有广泛应用的另一个领域。
由于纳米材料的电导率、离子传输率等性能特点，在锂离子电池、太阳能电池、燃料电池及其他新型能源电池中得到广泛的应用。
4. 太阳能电池提高太阳能电池的转换效率是当前研究的热点。
纳米结构在太阳能电池中的应用具有非常大的潜力。
通过控制纳米结构的能带结构和能量级对太阳辐射的吸收产生强大的影响，从而提高太阳能的转化效率。
三、纳米结构设计与制备1. 纳米结构的设计纳米结构的设计取决于其应用领域和需要满足的性能要求，一般主要考虑以下几个方面：● 大比表面积：通过控制材料的尺寸可以增加材料具有的比表面积，从而增强材料的性能。
● 优异的催化性能：针对不同的反应体系需设计出具有高效的催化剂纳米结构体系。
● 优异的电化学性能：通过控制纳米结构的形貌和微结构特征等参数来增强材料的电化学性能。
2. 纳米结构的制备由于纳米材料的制备过程比传统材料复杂，因此，制备纳米结构也需要选择不同的方法。
制备纳米结构的方法大致有以下几种：● 水热法：在特殊的反应条件下，通过化学反应在水溶液体系中制备纳米材料。
● 气相法：通过高温和高气压的条件下的化学反应在气相环境中制备纳米材料。
● 溶胶-凝胶法：通过将溶胶转化为凝胶过程的化学反应中，在特定条件下制备纳米材料。
纳米结构导电聚合物材料的制备
直接混合
分散
阀值0.0025wt%，1S/m@0.01wt% 碳纳米 管-环氧树脂导电聚合物
Sandler J, Shaffer M, Prasse T et al, Polymer, 40, 5967-5971 (1999) Sandler J, Kirk, J, Shaffer M et al, Polymer, 44, 5893-5899 (2003)
存在主要问题
担量高
界面小
超声剥离
酸洗
Thess A, Nikolaev P, Dai H et al, Science, 273, 483-488 (1996)
纳米结构导电聚合物制备方法
直接混合 填充体改性
第三方辅助
CNT功能化
导电聚合物 表面活性剂 乳液技术
Nielsen S, Srinivas G, Lopez C et al, Phys. Rev. Lett., 94, 228301-228304 (2005) Johnston D, Islam M, Yodh A et al, Nat. Mater., 4, 589-592 (2005) Kiraly Z, Findenegg G, Klumpp E et al, Langmuir, 17, 2420-2425 (2001)
基本思路
第三方辅助 — 表面活性剂
单体
表活剂
悬浮液
第三方辅助 — 表面活性剂
苯乙烯单体 SWNTs + 十六烷基三甲基胺(CTAB)
SWNT-PS 7S/m@8.5wt%
苯胺单体 十二烷基苯磺酸钠(SDBS) + 甲苯和水
NTs
NT-PANI 6.6S/m@10wt%
Barraza H, Pompeo F, O’Rear E et al, Nano Lett., 2, 797-802 (2002) Deng J, Ding X, Zhang W et al, Eur. Polym. J., 38, 2497-2501 (2002)
第八章纳米固体材料的微观结构PPT课件
1
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2
主要内容
纳米固体的结构特点
纳米固体界面的结构模型
纳米固体界面的X光实验研究
界面结构的电镜观察
穆斯堡尔谱研究
纳米固体结构的内耗研究
19
由表可以看出：对应不同热处理的试样的平均键长（Si—N 键长或Si—Si键长）几乎相同。只有假设颗粒内和界面内平均 键长在一定温度范围内热处理都不发生变化的情况下才能与实 验结果相符合，因此，我们没有理由认为界面中Si—N键长或 Si—Si键长是变化的，原子排列是混乱的，而用 短 程 有 序 来 描 述纳米非晶氮化硅块材界面结构是合理的。
下面我们简述一下自1987年以来描述纳米固体 材料微结构的几个模型。
8
纳米微晶界面内原子排列既没有
纳
类气态模型 长程序，又没有短程序，是一种
米
类气态的，无序程度很高的结构。
固
体
界
面
有序模型 纳米材料的界面原子排列是有序的。
的
结
构 模 型
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。
10
如图8.2所示，非晶体的
原子径向分布概率函数第一
峰对应于最近邻原子分布，
它尖而高，位置与晶体中最
近邻原子间距一致，由峰面
积推算得最近邻原子数也与
晶体的基本一致，表明从最
近邻原子分布看，仍保持晶
体的短程有序性。但随着原
子间距r的增大。概率函数的
峰值变得越来越不显著。说
纳米结构ZnO的制备及性能研究
纳米结构ZnO的制备及性能研究一、本文概述氧化锌（ZnO）是一种重要的半导体材料，因其独特的物理和化学性质，在纳米科技领域引起了广泛的关注。
纳米结构ZnO的制备及性能研究对于推动材料科学、电子学、光电子学、生物医学等多个领域的发展具有重要意义。
本文旨在深入探讨纳米结构ZnO的制备方法、结构特性、以及其在各种应用场景中的性能表现。
本文将概述纳米结构ZnO的基本性质，包括其晶体结构、能带结构、光学特性等。
随后，我们将详细介绍几种常见的纳米结构ZnO制备方法，包括物理法、化学法以及生物法等，并对比各种方法的优缺点。
在此基础上，我们将重点关注纳米结构ZnO的性能研究，包括其电学性能、光学性能、光催化性能、以及生物相容性等。
我们将通过实验数据和理论分析，全面揭示纳米结构ZnO的性能特点及其在不同应用场景中的潜在应用价值。
本文还将展望纳米结构ZnO的未来发展趋势，探讨其在新能源、环保、生物医学等领域的应用前景。
我们希望通过本文的研究，能够为纳米结构ZnO的制备和性能优化提供有益的参考，推动其在各个领域的实际应用。
二、ZnO纳米结构的制备方法ZnO纳米结构的制备方法多种多样，主要包括物理法、化学法以及生物法等。
这些方法的选择取决于所需的ZnO纳米结构的尺寸、形貌、纯度以及应用的特定要求。
物理法：物理法主要包括真空蒸发、溅射、激光脉冲沉积等。
这些方法通常在高温、高真空环境下进行，能够制备出高质量的ZnO纳米结构。
然而，这些方法通常需要昂贵的设备和复杂的操作过程，限制了其在大规模生产中的应用。
化学法：化学法因其设备简单、操作方便、易于大规模生产等优点，在ZnO纳米结构制备中得到了广泛应用。
其中，溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、水热法和微乳液法等是常用的化学制备方法。
例如，溶胶-凝胶法通过控制溶液中的化学反应，可以制备出具有特定形貌和尺寸的ZnO纳米颗粒。
化学气相沉积法则可以通过调节反应气体的流量、温度和压力等参数，实现ZnO纳米线的可控制备。
制备微纳米结构的方法及其应用
制备微纳米结构的方法及其应用随着科技的发展，微纳米结构已经成为了材料科学和纳米技术的重要组成部分。
微纳米结构可以控制物质的特性、性能和功能，具有广泛的应用前景。
然而，制备微纳米结构是一项非常具有挑战性的工作。
本文将探讨制备微纳米结构的方法及其应用。
一、自组装技术自组装技术是制备微纳米结构最重要的方法之一。
自组装技术可以通过物理或化学方式把分子或纳米颗粒组装成需要的结构。
其中，自组装技术的最大优点在于它可以在原位和大面积地制备微纳米结构。
另外，自组装技术还可以制备具有不同形状、功能和性能的微纳米结构。
自组装技术的应用范围非常广泛。
比如说，可以利用自组装技术制备具有高效催化性能的纳米催化剂。
这些纳米催化剂可以应用于多种化学反应中，比如催化烯烃的加氢反应。
此外，还可以利用自组装技术制备具有高通量的纳米过滤器、纳米传感器和纳米药物载体等。
二、光刻技术光刻技术是一种微纳米结构制备的传统方法。
光刻技术利用光敏材料在紫外线照射下的化学反应，将图案或结构模板转移到表面或材料上。
这种方法可以制备出具有高精度、高分辨率的微纳米结构，是制备微纳米结构中最常用的方法之一。
光刻技术在半导体工业中应用非常广泛。
比如说，可以利用光刻技术制备出具有不同形状和大小的半导体芯片。
这些芯片可以应用于计算机、通信和消费电子等领域。
此外，还可以利用光刻技术制备出微流控芯片和微电子机械系统等。
三、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种制备纳米材料和微纳米结构的重要方法之一。
溶胶-凝胶法是利用溶胶分子在液相中自组装成类似凝胶的结构，并在适当的条件下形成具有固态结构的材料。
这种方法可以制备出具有多孔结构、高比表面积和高催化活性的纳米材料。
溶胶-凝胶法的应用范围较广。
比如说，可以利用溶胶-凝胶法制备纳米氧化铝、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛等。
这些纳米材料可以应用于催化、光催化、电化学和生物医药等领域。
四、热处理技术热处理技术是一种将原始材料或预制材料热处理，制备出具有特定结构和特性的微纳米结构的方法。
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。
纳米材料的概述、制备及其结构表征
纳米材料的概述、制备及其结构表征1.引言1.1 概述纳米材料是指具有纳米级尺寸（一般指直径小于100纳米）的材料。
由于其特殊的尺寸效应和界面效应，纳米材料呈现出与宏观材料不同的物理、化学和生物学性质，具有广泛的应用价值和研究前景。
纳米材料的制备方法主要包括物理法、化学法和生物法等。
物理法主要利用物理手段将宏观材料加工成纳米级颗粒，如球磨法、激光烧结法等；化学法则是通过化学反应控制合成纳米材料，如溶胶-凝胶法、溶液法等；生物法则是利用生物体内或生物体外的生物学过程合成纳米材料，如生物矿化法、酶法等。
不同的制备方法可以获得不同形态、尺寸和结构的纳米材料。
纳米材料的结构表征是研究纳米材料的重要手段。
常用的结构表征方法包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和红外光谱等。
这些技术可以观察和分析纳米材料的形貌、尺寸、晶体结构和化学组成，为纳米材料的制备和性质研究提供重要依据。
纳米材料的应用前景广阔。
由于其特殊性能，纳米材料在能源、催化、电子、生物医学等领域具有重要的应用潜力。
例如，纳米材料可以用于改善太阳能电池的效率、提高催化反应的效果，并在生物传感器和药物输送系统中发挥重要作用。
纳米材料的制备和结构表征对于纳米材料研究具有重要意义。
制备方法的选择和调控可以获得具有特定结构和性能的纳米材料，而结构表征则可帮助我们了解纳米材料的内部结构和相互作用机制，进一步优化和改进纳米材料的性能。
然而，纳米材料研究还面临一些挑战和问题。
首先，制备纳米材料的方法仍然存在一定的局限性，如难以控制材料的形貌和尺寸分布；其次，纳米材料的安全性和环境影响是需要进一步研究和评估的重要问题；此外，纳米材料的应用还需要解决稳定性、可持续性和成本等方面的挑战。
总之，纳米材料具有独特的性质和广泛的应用前景。
通过制备和结构表征的研究，可以进一步深入理解纳米材料的特性和行为，为其在不同领域的应用和发展提供科学依据和技术支持。
纳米材料的制备方法PPT课件
例如：将尿素水溶液加热到70oC左右，就会发生如下水解反应：
(NH2)2CO + 3H2O → 2NH4OH + CO2
由此生成的沉淀剂NH4OH在金属盐的溶液中分布均匀，浓度低，使 得沉淀物均匀地生成。由于尿素的分解速度受加热温度和尿素浓度的控 制，因此可以使尿素分解速度降得相低。有人采用低的尿素分解速度来 制得单晶微粒，用此种方法可制备多种盐的均匀沉淀。
离子溅射法
用两块金属板分别作为阴极和阳极，阴极为蒸发用材料，在两 电极间充入Ar(40～250Pa)，两极间施加的电压范围为0.3～1.5 kV。 由于两极间的辉光放电使Ar 粒子形成，在电场作用下Ar 离子冲击 阳极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在 附着面上沉积下来。离子的大小及尺寸分布主要取决于两极间的电 压、电流、气体压力。靶材的表面积愈大，原子的蒸发速度愈高， 超微粒的获得量愈大。溅射法制备纳米微粒材料的优点是：
粉碎作用力的作用形式
粉碎法
一般的粉碎作用力都是几种力的组合，如球磨机和振动磨 是磨碎和冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合； 气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合，等等。
物料被粉碎时常常会导致物质结构及表面物理化学性质发生变 化，主要表现在：
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常见的纳米结构有
纳米薄膜(Nano-thin film)，纳米阵列(Nano-array)及介孔 结构（mesoporous-structured materials ），其他还有很多 不常见的纳米结构，如纳米笼(Nanocages)、纳米纤维 (Nanofiber)、纳米花(Nanoflower)、纳米泡沫(Nanofoam)、 纳米网(Nanomesh)，纳米针膜(Nanopin film)，纳米环 (Nanoring)、纳米壳(Nanoshell)、纳米线(nanowires)等。
（2）有序纳米阵列
高度取向的纳米结构阵列是以纳米颗粒、 纳米线、纳米管为基本单元，采用物理和 化学的方法在两维或三维空间内构筑的纳 米体系。
纳米线 阵列的 构筑过 程
纳米线 阵列的 表e、Co、Ni、 Au、Pt、Pb、Cd、Bi、Cu、Si、B、CoPt、FePt、 CoCu、FeNi、FeCo、CoNi、PdNi、FeCoNi等， 无机化合物纳米线阵列有ZnO、SnO2、TiO2、 Cu2O、SiO2、MnO2、WO3、V2O5、GeO2、 In2O3、Fe2O3、PbTiO3、BiFeO3、CoFe2O4、 ITO、AZO、Si3N4、SiC、MoS2等， 半导体纳米线阵列有Si、ZnS、InP、FeS、CdS、 CdSe、GaN、AlN、InN等，聚合物纳米线阵列有 聚吡咯、聚苯胺、聚三甲基噻吩等。此外还有纳 米碳管阵列。
纳米有机玻璃(PMMA)阵列模板
1997年，美国Chou等人发明了一种全新的硬模板制备方 法—纳米压入平版印刷术(Nano-imprint Lithography， NIL)。 NIL采用类似于机械加工中冲压成孔的方法，批量制备出 孔洞大小及分布完全一致的有机玻璃(PMMA)模板。
有机玻璃(PMMA） 纳米结构 制作
人工加工技术
3）STM/AFM 加工
STM/AFM除了能对物质表面进行高分辨形貌 成像外，还可以在材料表面进行原子、分子操 纵、实现对材料表面的刻蚀、修饰和加工。 基于原子力显微镜的纳米加工主要是利用原子 力探针同样品表面之间的各种物理，化学，机 械作用力进行。 主要方式有：机械刻蚀、场致蒸发、局域电化 学氧化、针尖诱导局域氧化等。
（3）介孔材料
无序介孔材料中的孔型，形状复杂、不规则并且互为连通。 有序介孔材料是以表面活性剂形成的超分子结构为模板， 利用溶胶—凝胶工艺，通过有机物—无机物界面间的定向 作用，组装成孔径在2nm~30nm之间孔径分布窄且有规则 孔道结构的无机多孔材料，包括 MCM-41(六方相)、MCM48(立方相)和MCM-50(层状机构)，如图8.6。
这种磁性的纳米棒阵列实际上是一个量子棒阵列，它与传统 磁盘磁性材料呈准连续分布不同，纳米磁性单元是分离的， 因而人们把这种磁盘称为量子磁盘．
8.1 纳米结构其分类
8.1.1纳米结构（nano-structured materials）
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定的规 律构筑或营造的一种新体系。基本构筑单元包括纳米微 粒、纳米管、纳米线、纳米棒和纳米尺寸的孔洞等。
根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠 内因来划分，大致可分为两类： 一是人工纳米结构组装体系； 二是纳米结构自组装体系和分子自组装体系．
（1）人工纳米结构组装体系
按人类的意志，利用物理和化学的方法人为地将纳米尺度 的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构 体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等．
（3）介孔材料
介孔材料是一种孔径介于微孔（(孔径<2nm) ）与大孔 （孔径>50nmnm）之间的具有巨大表面积和三维孔道 结构的新型材料 。如纳米ZSM-5沸石、纳米TS-1沸石、 纳米silicalite-1沸石、纳米β沸石、纳米γ沸石、纳米X 沸石、纳米A沸石、纳米HS沸石等。
特点：通常介孔材料具有孔径分布窄，介孔形状多样， 孔径尺寸在较宽范围(2nm~50nm)可调，孔壁组成和 性质可调控；较大的比表面积和孔道体积；孔道结构 有序度高；此外还可通过优化合成条件得到高热稳定 性和水热稳定性。 分类：按照孔的有序程度，介孔材料可以分为无序介 孔材料和有序介孔材料。按照化学组成分，介孔材料 主要有硅系和非硅系两大类。
人的设计和参与制造起到决定性的作用。
8.3纳米结构的制备
8.3.1人工加工技术 1、光刻技术
光刻技术是集成电路制造中利用光学—化学反应原理 和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面 或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技 术。包括光复印和刻蚀两个工艺。在狭义上，光刻工 艺仅指光复印工艺，其流程如图。
举例
人工加工技术
2、束流刻蚀技术
束流刻蚀是通过具有一定能量的电子束、离子 束与固体表面相互作用来改变固体表面物理、 化学性质和几何结构的精密加工技术，加工精 度可达微米、亚微米甚至纳米级。 比较成熟的有电子束曝光、离子束掺杂和离子 束刻蚀。
人工加工技术
1）电子束曝光
用具有一定能量的电子束照射抗 蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生 图形的一种微细加工技术。对于 正性抗蚀剂，在显影后经电子束 照射区域的抗蚀剂被溶解掉，而 未经照射区域的抗蚀剂则保留下 来；对负性抗蚀剂则情况相反。 这样就在抗蚀剂中形成了需要制 作的图形，电子束曝光有扫描和 投影两种工作方式。
美国贝尔实验室利用纳米硒化镉构成阵列体系，显示出波 长随量子点尺寸可调制的红、绿、蓝光，实现了可调谐发 光二极管的研制。
量子点磁开关
半导体内嵌入磁性的人造超原子体系；如锰离子被注入到砷 化镓中，经退火后生成了具有纳米结构的铁磁量子点阵列， 每个量子点都是一个磁开关。
量子磁盘与高密度磁存储 计算机中具有存储功能的磁盘发展总趋势是尺度不断减小， 存储密度快速提高。人们曾经试图通过减小磁性材料的颗粒 尺寸继续提高磁盘的存储密度，但受到超顺磁性的限制，有 人一度把l011bit／in2称之为不可愈越的极限． 新型的纳米结构，提高磁存储密度，突破了上述极限，采用 纳米压印平板印刷术(nanoimprintlithography)可制备了纳米结 构的磁盘，尺寸为l00nm X l00nm，它是由直径为 l0nm，长 度为40nm的Co棒按周期为40nm排列成阵列。
举例
STM 原子操纵（1982年IBM公司苏黎士研究实验室 ）
图8.18 AFM刻蚀矩形图阵列和字母HN的三维图
人工加工技术
4）纳米压印
纳米压印又叫纳米压印光 刻技术(nano-imprinted lithography，NIL)，通过将 具有纳米图案的模版以机 械力( 高温、高压) 压在涂 有高分子材料的硅基板上， 等比例压印复制纳米图案， 进行加热或紫外照射，实 现图形转移。
纳米结构的概念
纳米结构不仅具有纳米微粒的特征，如量子尺寸效应、小尺 寸效应、表面效应等特点，又存在由纳米结构组合引起的新 的效应，如量子耦合效应和协同效应等． 其次，这种纳米结构体系很容易通过外场． (电、磁、光)实 现对其性能的控制，这就是纳米超微型器件的设计基础．
纳米结构应用与意义
原理
人工加工技术
AFM机械刻蚀是指利用AFM的针尖与样品 之间的相互作用力，在样品表面刮擦、压 痕、提拉或推挤粒子产生纳米尺度的结构。 根据作用机制不同，有机械刮擦和原子操 纵两种方式。
根据作用对象的不同，又可分为直接表面 刻蚀和活性层刻蚀，后者包括有机抗蚀剂 (PMMA)、LB膜、自组装膜(SAM)等的刻蚀。
图8.15 离子束刻蚀系统示意图
人工加工技术
离子束刻蚀的特点：
各向异性刻蚀，即只有垂直刻蚀，没有横向刻 蚀。 良好的刻蚀选择性，即对作为掩模的抗蚀剂和 处于其下的另一层薄膜或材料的刻蚀速率都比 被刻蚀薄膜的刻蚀速率小得多，以保证刻蚀过 程中抗蚀剂掩蔽的有效性，不致发生因为过刻 蚀而损坏薄膜下面的其他材料 加工批量大，控制容易，成本低，对环境污染 少，适用于工业生产。
图 电子束电子光学 系统
人工加工技术
2）离子束刻蚀
用具有一定能量的离子束轰击带 有掩模图形的固体表面，使不受 掩蔽的固体表面被刻蚀，从而将 掩模图形转移到固体表面的一种 微细加工技术。 离子束刻蚀有两种。一种是利用 惰性气体离子(如氩离子)在固体表 面产生的物理溅射作用来进行刻 蚀，一般即称为离子束刻蚀。另 一种是反应离子束刻蚀，即利用 反应离子(如氯或氟离子)和固体表 面材料的化学反应和物理溅射双 重作用来进行刻蚀。
a) b)
c)
NIL制备PMMA模板的过程： 在衬底表面喷涂一层厚约78nm的PMMA等热塑料抗蚀胶。 在约175℃将预制了纳米图案的SiO2的压头或阳模压人 PMMA中，由于175℃时PMMA处于软化阶段，故阳模很 易压入，待PMMA固化后抬起阳模。 再用定向等厚活性粒子蚀刻(如粒子束轰击)去除压痕处的 残留PMMA，便完成了使阳模上的图案转移到PMMA薄 膜上的过程(Pattem Trans)。 取下薄膜，便得到了所需的模板，重复上述的制备过程， 可重复制出结构完全一样的模板。
第八章--纳米结构材料 的特性与制备
纳米结构的概念
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． 这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米 管、纳米棒、纳米线以及纳米尺寸的孔洞． 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，使研究单个纳米结构单元的行为、特性成 为可能。