第五讲 纳米一维材料
一维纳米材料概述
概述§1 一维纳米材料的发现及发展1.1气－液－固的生长机制制备半导体纳米线1.2层状卷曲机制制备一维纳米材料§2 纳米碳管的发展现状§3 纳米碳管的应用前景及发展方向3.1应用前景3.2发展方向§1一维纳米材料的发现及发展准一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度为宏观尺度的新型纳米材料。
1.1 气－液－固的生长机制制备半导体纳米线利用气－液－固的生长机制的激光烧蚀法制备半导体纳米线，通过控制催化剂合金颗粒的粒径和生长时间，实现了对多种纳米线的直径与长度的控制。
表1.1 用激光烧蚀法制备的半导体纳米线1.2 层状卷曲机制制备一维纳米材料主要利用低温水热合成方法制备一维纳米材料。
图1.1 层状卷曲机制示意图图1.2 层状卷曲机制制备的一维纳米材料(a)金属Bi纳米线；(b) 二硫化钨纳米线；(c) 金属钨单晶纳米线；(d) ZnO单晶有序阵列表1.2 层状卷曲机制制备的一维纳米材料§2 纳米碳管的发展现状1970年日本的大泽映二准确画出了C60的图形1985年H. W.Kroto和R. E. Smalley等用质谱仪研究激光蒸发石墨电极时发现了C60，并把具有类似的笼状结构的物质命名为富勒烯1990年W. Kratschmer等用石墨作电极通过直流电弧放电得到宏观量的C60,进而推动了富勒烯的研究1991年日本的饭岛博士首次用电弧蒸发法在高分辨电镜中发现了纳米碳管1992年T. W. Ebbesen和P. M. Ajayan合成了纯度更高的克量级纳米碳管1993年M. J. Yacaman等用化学气相沉积法以乙炔为碳源用铁作催化剂合成了多壁纳米碳管1994年S. Amelinckx用化学气相沉积法合成螺旋状纳米碳管1994年T. Gao等用激光照射含有镍和钴的碳靶得到单壁纳米碳管1994年P. M. Ajayan等将多壁纳米碳管与聚合物复合切成50-200nm后的薄片后首次得到排列整齐的多壁纳米碳管1996年A. Thess等用双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的炭块得到单壁纳米碳管形成的管束1996年戴宏杰等以CO为气源纳米颗粒的钼为催化剂合成出了单壁纳米碳管1997年C. Journet等用Ni/Y作催化剂得到高产率的单壁纳米碳管1998年成会明等首次得到了直径为1-2nm的单壁纳米碳管和由多根单壁纳米碳管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带1998年戴宏杰首先实现了在简单电路上生长单根单壁纳米碳管1999年成会明等开发出制备大量高纯度单壁纳米碳管的半连续氢电弧法2000年解思深等制得最小内径为0.5nm的多壁纳米碳管2001年R. R. Schlittler等热解有纳米图形的前驱体通过自组装合成了单壁纳米碳管单晶图1.3 各种纤维状炭的直径与平均层间距（d200）的比较§3 纳米碳管的应用前景及发展方向3.1 应用前景诺贝尔奖获得者R. E. Smalley称“纳米碳管将是价格便宜,环境友好并为人类创造奇迹的新材料”，可从以下六个方面进行说明：3.1.1 纳米尺度的器件表1.3 纳米碳管的可能应用领域3.1.2 制造纳米材料的模板图1.4 纳米碳管作模板进行的填充、包敷和空间限制反应的示意图3.1.3 电子材料和器件纳米碳管的特殊电性能使之适用于微电路中的量子线和异质结。
一维纳米材料制备
导热性能（声子传送特性） 当硅纳米线直径小于20 nm时，声子色散的关系可能会改
变（由声子局限效应造成），导致声波速度和热导率大大 低于标准值。分子动力学模拟还表明，在200K到500K的温 度范围内，硅纳米线的热导率比硅块低2个等级。
纳米线的特性及其应用
导电性能 尺寸下降导致导电性能的转变。如Bi纳米线在52nm时由金 属转变为半导体；Si纳米线在15nm时由半导体转变为绝缘 体
通过对一些氧化物纳米线（如SnO2) 电学输运性能（如 电导率）的检测，就可能对其所处的化学环境作出检测，可 用于医疗，环境，或安全检查。
纳米线的制备策略
问题：如何控制晶核（纳米颗粒）的尺寸和生长方向？
局限于特殊结 构的材料
VLS 机制
晶体结构的各项异性导致定向生 长。生长速率 Si {111}< Si{110}
• 液相自发组装
• 基于模板合成（模板法）
• 静电纺丝
纳米线的自发生长
• 气相法 - 气-固（VS）生长机理 - 气-液-固（VLS）生长机理
• 液相法 - 溶液－液相－固相机理 (SLS) - “毒化”晶面控制生长的机理（包覆法）； - 溶剂热合成方法。
气相法
在合成纳米线时, 气相合成可能是用得最多的方法。
气-固生长机理又称为位错机理，是通过气-固反应形核并长成纳米线的过程。 是一种经常采用的晶须生长机理。 气固机理的发生过程： • 通过热蒸发或气相反应等方法产生气相； • 气相分子或原子被传输到低温区并沉积在基底上； • 在基底表面反应、形核与生长，通常是以气固界面上微观缺陷 (位错、
孪晶等) 为形核中心生长出一维材料。
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
3.1纳米材料_一维纳米材料之碳纳米管
THE SECOND GENERATION
More advanced nanotube transistors have individual gates on top of the device, separated from the nanotube channel by a thin layer of silicon dioxide. Metal electrodes form the source and drain.
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电弧放电法SWNT
电弧放电法制备SWNT的SEM图
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2.激光烧蚀法 (Laser ablation)
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合成过程
将石墨靶材或石墨靶材混合金属(钴、镍)，放置 于石英管中央以加热炉加热至高温(如1200 °C)，并 通入惰性气体(如He或Ar)。以一脉冲激光照射石墨靶。 石墨靶在激光照射下被气化出来，这些气态碳和催化 剂粒子被气流从高温区带向低温区，结果在出口附近 生成一层黑色膜状堆积物，纯化可得碳纳米管。
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Nanotubes for Power Transmission Line Materials
In April 2005 the US government's National Aeronautics and Space Administration (NASA) awarded a four-year, US$11 million contract to Rice Universitys Carbon Nanotechnology Laboratory in Houston, Texas. The project aims to produce a prototype wire made entirely of carbon nanotubes, which could conduct electricity up to ten times more efficiently than copper.
一维纳米材料
一维纳米材料一维纳米材料是指在一个维度上具有纳米尺度的尺寸特征的材料。
由于其尺寸非常小，一维纳米材料具有许多特殊的性能和应用潜力，因此受到了广泛的关注和研究。
一维纳米材料的制备方法有很多，比如纳米线的可控生长、纳米棒的光化学方法和碳纳米管的化学气相沉积等。
其中，碳纳米管是最具代表性的一维纳米材料之一。
碳纳米管是由碳原子以一种特定的方式排列而成，具有优异的力学性能、导电性能和热导性能。
由于这些优异的性能，碳纳米管在电子器件、储能材料和生物医学领域等方面具有广泛的应用前景。
另一个代表性的一维纳米材料是纳米线。
纳米线具有高比表面积和表面活性，使其具有优异的光学、电学和化学特性。
纳米线可以用来制备柔性电子器件、可拉伸电缆和高效的光电催化剂等。
同时，纳米线还可以用来制备纳米传感器，用于检测环境中的有害气体和微量分子。
除了碳纳米管和纳米线，金属纳米线、半导体纳米线和聚合物纳米线等一维纳米材料也具有重要的研究和应用价值。
金属纳米线由金属原子组成，具有窄的禁带宽度和高的载流子迁移率，可以用来制备高效的传感器和电子器件。
半导体纳米线由半导体材料构成，可以用于制备高效的太阳能电池和光电器件。
聚合物纳米线则可以用来制备高性能的有机场效应晶体管和柔性纳米电子器件。
一维纳米材料具有多种重要的应用潜力。
例如，它们可以用于制备高性能的传感器、储能材料和光电器件。
一维纳米材料还可以用于制备高效的催化剂，提高反应速率和选择性。
此外，一维纳米材料还可以用于生物医学领域，例如用于药物传输和疾病诊断。
总之，一维纳米材料具有许多独特的性能和应用潜力，对于科学研究和技术发展具有重要的意义。
随着纳米技术的不断发展，我们相信一维纳米材料将在各个领域得到更广泛的应用。
一维纳米材料
一维纳米材料
一维纳米材料是指至少有一个尺寸在纳米尺度（10^-9米）范围内的材料，但
其它两个维度的尺寸可以远远大于纳米尺度。
一维纳米材料包括纳米线、纳米棒、纳米管等，这些材料在纳米尺度下呈现出特殊的物理和化学性质，因此被广泛应用于各种领域。
一维纳米材料的制备方法多种多样，包括化学气相沉积、溶液法合成、电化学
沉积等。
其中，化学气相沉积是一种常用的方法，通过在高温下将气态前驱体转化为固态纳米材料，可以制备出高质量、高纯度的一维纳米材料。
溶液法合成则是通过在溶液中加入适当的前驱体，利用溶剂的挥发或化学反应来制备一维纳米材料，这种方法简单易行，适用于大规模生产。
一维纳米材料具有许多独特的性质，例如，纳米线的电学性质优异，可以用于
制备高性能的电子器件；纳米管具有优异的力学性能和热学性能，被广泛应用于纳米材料复合材料的制备；而纳米棒则具有优异的光学性能，可用于制备高效的光电器件。
这些特殊的性质使得一维纳米材料在电子、光电、传感、催化等领域有着广泛的应用前景。
除了应用领域的广泛性外，一维纳米材料还具有很强的研究价值。
通过对一维
纳米材料的研究，可以深入了解纳米尺度下的物理和化学性质，为纳米材料的设计与制备提供理论基础。
同时，一维纳米材料还可以作为纳米材料复合材料的增强相，提高复合材料的力学性能和热学性能。
总的来说，一维纳米材料具有独特的物理和化学性质，具有广泛的应用前景和
研究价值。
随着纳米技术的不断发展，一维纳米材料必将在各个领域发挥重要作用，推动科技的进步。
ZnO一维纳米材料
ZnO一维纳米材料的制备方法 一维纳米材料的制备方法
一维ZnO纳米结构典型的生长形貌 一维ZnO纳米结构典型的生长形貌 ZnO
1、 ZnO一维纳米材料的制备方法 、 一维纳米材料的制备方法
一维纳米材料的制备方法多种多样, ZnO 一维纳米材料的制备方法多种多样, 但制备过程 中需要解决: 一维纳米ZnO 直径和长度的控制, 中需要解决: 一维纳米ZnO 直径和长度的控制, 在各种基 板上对一维纳米ZnO 的组装, 板上对一维纳米ZnO 的组装, 纳米器件性能测量和应用的 要求等。 要求等。 • 1.1 固相法 • 原则上, 原则上, 固相热蒸发技术是一种简单有效的制备一维 纳米材料方法, 根据生长机理可分为气固(VS) (VS)和气液固 纳米材料方法, 根据生长机理可分为气固(VS)和气液固 VLS)生长方法 通过控制固相反应条件, 一维ZnO 生长方法。 ( VLS)生长方法。通过控制固相反应条件, 一维ZnO 纳米 材料的各种形态已被广泛合成, 如: 纳米线、纳米棒、纳 材料的各种形态已被广泛合成, 纳米线、纳米棒、 米管、纳米带、 各种异质的ZnO ZnO形 米管、纳米带、同轴纳米电缆[ 1] 等, 各种异质的ZnO形 态结构也已合成, 四针状、纳米针和簧和压电纳米环、纳米悬臂、纳米树枝、 簧和压电纳米环、纳米悬臂、纳米树枝、纳米笼[ 2]等。 固相法合成ZnO 各种形态及阵列, 固相法合成ZnO 各种形态及阵列, 发展其控制过程以及在 基板上的组装, 必将推动ZnO 基板上的组装, 必将推动ZnO 一维纳米材料的性能研究和 应用。 应用。 •
• 1．2 液相法 ．
• 液相合成ZnO 液相合成ZnO 一维纳米材料通常采用反应物生成 先驱体, Zn(NH3 )2+ 4 或Zn( OH ) 2-4 先驱体, 随后在一定水热条 件下分解生长ZnO 液相合成的各种ZnO形态包括纳米线、 ZnO。 ZnO形态包括纳米线 件下分解生长ZnO。液相合成的各种ZnO形态包括纳米线、 纳米棒、纳米管、塔状、花状、棱柱状、多刺球状、 纳米棒、纳米管、塔状、花状、棱柱状、多刺球状、雪花 等采用改进的两步水热合成, 状[ 3] 等。Gao X. P[ 4] 等采用改进的两步水热合成, 制 备出转子状的ZnO结构。 ZnO结构 备出转子状的ZnO结构。ChoyJ. H[ 5] 等在玻璃基板上长 出纳米珊瑚礁。 等成功制备出纳米ZnO 出纳米珊瑚礁。T ian Z.R[ 6] 等成功制备出纳米ZnO 仿 生结构珍珠质形态。这些生物形态ZnO 生结构珍珠质形态。这些生物形态ZnO 纳米材料的合成为 在纳米级仿生材料方面开辟了新的研究领域。 ZnO 在纳米级仿生材料方面开辟了新的研究领域。除以上 两种主要合成一维ZnO 纳米材料方法外, 两种主要合成一维ZnO 纳米材料方法外, 还有电化学沉积 基于ZnO 法、模板法以及各种方法的结合[ 7] 。基于ZnO 一维纳米 材料合成方法和生长机制的不断发展, 材料合成方法和生长机制的不断发展, 综合运用各种合成 方法制备出不同类型并具有特定性能的一维功能ZnO 方法制备出不同类型并具有特定性能的一维功能ZnO 纳米 材料, 探索其生长机制和控制原理、 材料, 探索其生长机制和控制原理、组成结构和物性的关 系是当前纳米科学技术研究与发展的关键。 系是当前纳米科学技术研究与发展的关键。
一维纳米材料的特点及应用
一维纳米材料的特点及应用嘿，大家好！今天我们聊聊一维纳米材料，这玩意儿听起来就很酷，对吧？一维纳米材料，简单来说，就是那些在一个维度上超细的材料，比如说纳米线、纳米棒，简直像是科学界的“竹子”，长得细长又灵活。
想象一下，平常我们看到的东西，像是手机、电脑，它们的性能都离不开这些小家伙。
它们就像是科技界的小助手，悄悄地为我们解决了很多难题。
咱们得说说这些材料的特点。
一维纳米材料可不是简单的细长，它们的表面积可大了去了。
光是这一点，就让它们在化学反应和电学应用上有了不少优势。
想象一下，一个小小的纳米线，其实它的表面有超级多的反应位点，就像是一个开满花的花园，吸引了许多“游客”，每一个“游客”都是化学反应的一部分。
这个特性让一维纳米材料在传感器和催化剂方面可谓是如鱼得水，效果杠杠的。
说到应用，那可真是广泛得让人目瞪口呆。
一维纳米材料在电子产品中的表现绝对不容小觑。
想想你的手机，里面可能就有纳米线作为导电材料，这让你的设备能更快地处理信息，运行得更流畅。
要是没有这些纳米材料，估计我们的手机会慢得像蜗牛，真是想想都可怕。
纳米材料还被用在太阳能电池里，帮助它们更有效地转换阳光为电能，简直就像给环保事业助了一把劲。
不仅如此，这些材料在生物医学领域也是大显身手。
纳米材料可以用于药物输送，想象一下，它们就像是穿梭在我们身体里的快递小哥，专门把药物送到需要的地方，省时又省力。
一些纳米材料还能帮助我们进行精准的疾病检测，早发现、早治疗，简直是健康的守护神！这种技术的出现，就像是给我们的健康上了双保险，让人心里倍儿踏实。
咱们也不能忽视它们在材料科学中的应用。
一维纳米材料的强度和韧性让它们在复合材料中成为了“明星”，提升了材料的整体性能。
想想看，以后我们的汽车、飞机可能会用到这些材料，轻而强，简直是科技的奇迹。
再加上这些材料的成本不断下降，未来会不会有一天，咱们的生活都离不开它们呢？这可是个值得期待的事情哦！说到这里，大家可能会好奇，这些材料有没有缺点呢？任何事情都有两面性。
无机化学-一维纳米材料合成
GaN nanowire
C. M. Lieber, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 188
ZnO，SnO2，In2O3，CdO，Ga2O3和PdO2
Z. R. Dai, Z. W. Pan, Z. L. Wang, Adv. Funct. Mater. 2003, 13, 9.
R. M Penner, Science 2001, 293, 2227
准直孔道的多孔化合物为模板
介孔分子筛类 聚合碳酸酯类 阳极氧化铝类
MCM-41 SBA-15
J. Soler-Illia Curr. Opin. Colloid-Interface Sci. 2003, 8, 109
nickel nanowires inside channels of SAB-15
1、气相生长 2、模板生长 3、液相生长 4、组装生长
利用气相生长来制备一维纳米材料，一般 需要将前驱体加热到一定温度。常见的处 理包括直接加热金属表面和化学气相沉积。
利用多种辅助手段，可以得到了包括纳米管、 带、线在内的按特定生长面单方向或多方向生 长的一维纳米材料。
Cu新鲜表面快速升 温到400 ~ 700℃ CuO纳米线
模板法使得纳米材料的生长可以按照人们的意愿来 进行，产物基本涵盖了目前可制备的一维纳米材料。 一些辅助手段保证了产物的结构完整性和形貌可控性， 并且很容易获得良好的纳米阵列。但它的缺点也比较 突出：首先是模板与产物的分离比较麻烦，很容易对 纳米管/线造成损伤；其次，模板的结构一般只是在 很小的范围内是有序的，很难在大范围内改变，这就 使纳米材料的尺寸不能随意地改变；第三，模板的使 用造成了对反应条件的限制，为了迁就模板的适用范 围，将不可避免地对产物的应用造成影响。
一维纳米材料定义
一维纳米材料定义一维纳米材料是指至少有一个维度在纳米尺度范围内的材料，通常包括纳米线、纳米棒、纳米管等。
这些材料在纳米尺度下具有独特的物理、化学和电子性质，因此被广泛应用于纳米科技领域。
一维纳米材料的定义和研究对于理解纳米世界的特殊性质和开发新型纳米材料具有重要意义。
一维纳米材料的定义首先可以从其尺寸范围入手。
纳米尺度是指材料的尺寸在纳米级别，即10^-9米的量级。
一维纳米材料至少有一个维度在纳米尺度范围内，比如直径或者厚度在纳米级别。
这种尺寸特征使得一维纳米材料在表面积、电子输运、光学性质等方面表现出与宏观材料完全不同的特性，因而具有广泛的应用前景。
其次，一维纳米材料的结构也是其定义的重要组成部分。
常见的一维纳米材料包括纳米线、纳米棒和纳米管等。
这些结构在纳米尺度下呈现出独特的形貌和晶体结构，使得其在光电、催化、传感等领域具有重要的应用价值。
例如，纳米线由于其高比表面积和优异的电子输运性能，在太阳能电池、柔性电子器件等领域具有广泛的应用前景。
此外，一维纳米材料的制备方法也是其定义的重要内容。
目前，制备一维纳米材料的方法包括化学气相沉积、溶液法合成、电化学沉积等多种途径。
这些方法可以实现对一维纳米材料的精确控制，包括尺寸、形貌、结构和组分等方面的调控，为其在能源、催化、传感等领域的应用提供了重要的技术支持。
总之，一维纳米材料是指至少有一个维度在纳米尺度范围内的材料，具有独特的物理、化学和电子性质。
其定义涉及到尺寸范围、结构特征和制备方法等多个方面。
对一维纳米材料的定义和研究有助于深入理解纳米世界的特殊性质，推动纳米科技的发展，为新型纳米材料的设计和应用提供重要的理论和技术支持。
一维纳米材料
一维纳米材料
一维纳米材料是指至少有一个维度在纳米尺度范围内的材料，通常包括纳米线、纳米棒和纳米管等。
这些材料具有独特的电学、热学、光学和力学性质，因此在纳米科技领域具有广泛的应用前景。
首先，一维纳米材料在电子器件方面具有重要的应用。
由于其尺寸在纳米尺度，电子在其中的运动受到限制，因此表现出与传统材料不同的电学性质。
一维纳米材料的导电性能优异，可用于制备高性能的纳米电子器件，如纳米场效应晶体管、纳米逻辑门等，有望推动电子器件的迷你化和高性能化。
其次，一维纳米材料在光学领域也有着重要的应用价值。
由于其尺寸接近光波
长尺度，一维纳米材料对光的响应呈现出量子尺度效应，如光量子限制和光子输运等。
因此，一维纳米材料可以用于制备高效的光电转换器件，如纳米光伏电池、纳米光探测器等，有望推动光电子器件的微型化和高效化。
此外，一维纳米材料在传感器领域也有着广泛的应用前景。
一维纳米材料具有
高比表面积和优异的化学稳定性，可以用于制备高灵敏度、高选择性的传感器，如气体传感器、生物传感器等，有望推动传感器技术的微型化和智能化。
总的来说，一维纳米材料具有独特的电学、光学和传感性质，具有广泛的应用
前景。
随着纳米科技的不断发展，相信一维纳米材料将会在电子器件、光电转换器件和传感器等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展带来新的科技突破和应用创新。
一维纳米材料
一维纳米材料一维纳米材料是指在空间维度上为一维的纳米结构，通常具有纳米尺度的横截面尺寸和微观尺寸的长度。
它们具有特殊的物理、化学和电学性质，常常表现出与其宏观对应物质不同的特性。
以下是几种常见的一维纳米材料：1.纳米线（Nanowires）：纳米线是一种具有纳米尺寸横截面和微观尺寸长度的一维纳米结构，可以由金属、半导体或者绝缘体等材料构成。
它们具有高比表面积和优异的电学、光学和力学性质，广泛应用于纳米电子器件、传感器、光电器件等领域。
2.纳米管（Nanotubes）：纳米管是由碳、硼氮化物等材料构成的中空管状结构，具有特殊的电学、光学和力学性质。
碳纳米管是最常见的一种，具有优异的导电性、导热性和力学强度，被广泛应用于纳米材料、纳米器件和生物医学等领域。
3.纳米棒（Nanorods）：纳米棒是一种具有纳米尺寸横截面和微观尺寸长度的棒状结构，可以由金属、半导体或者绝缘体等材料构成。
它们具有可调控的形状、尺寸和结构，广泛应用于催化、传感、光学和生物医学等领域。
4.纳米线束（NanowireBundles）：纳米线束是由多个纳米线束在一起形成的束状结构，具有优异的电子输运性质和光学特性。
它们可以用于柔性电子器件、纳米传感器、纳米发电机等领域。
5.纳米纤维（Nanofibers）：纳米纤维是一种具有纳米尺寸横截面和微观尺寸长度的纤维状结构，可以由聚合物、金属、氧化物等材料构成。
它们具有高比表面积和优异的力学性能，广泛应用于纳米复合材料、组织工程、过滤材料等领域。
这些一维纳米材料具有独特的结构和性质，对于纳米科技的发展和应用具有重要意义。
通过精确控制其尺寸、形状、结构和表面性质等参数，可以实现对其性质和功能的调控，拓展其在材料科学、纳米电子学、纳米医学等领域的应用。
一维纳米材料的制备方法和性质应用
一维纳米材料的制备方法和性质应用纳米材料（nano materals）是指尺寸处于1-110nm之间的材料，或者更广泛的说至少有一个维度处于纳米尺寸范围的材料。
一维纳米材料，指材料的空间尺寸在三维方向上有两维处于纳米尺度范围内，主要形貌包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带等。
一维纳米材料具有广阔的潜在应用前景,如高密度存储记忆元件、超微型纳米阵列激光器、新型电子器件带等;制备出的一维纳米材料对基础研究和应用研究具有重要意义；一维纳米材料的制备方法以及其在能量转化、激光器和传感器等方面的应用研究情况。
一维纳米材料的制备方法目前制备一维纳米材料包括纳米电缆的方法很多，比较有代表性的有：电弧放电法、化学气相沉积法、激光溅射法、模板法。
（1）电弧放电法电弧放电法是制备纳米碳管最原始的方法,该方法也用于制备其它一维纳米材料。
在一个充有一定压力的惰性气体反应室中,装有一大一小两根石墨棒,其中面积大的为阴极,小的为阳极,两极间距为 1 mm。
Ebbesen T W 在直流电流为100 A,电压18 V, Ar气压66650 Pa (500 Torr )的条件下进行实验。
在放电产物中获得了大量的纳米碳管。
（2）化学气相沉积法化学气相沉积法通常是指反应物经过化学反应和凝结过程,生产特定产物的方法。
Yang等将MgO与碳粉作为原材料,放入管式炉中部的石墨舟内,在高纯流动Ar气保护下将混合粉末加热到约1200℃,则生成的MgO蒸气被流动Ar气传输到远离混合粉末的纳米丝生长区,制备了定向排列的MgO纳米丝。
Zhang等将经过8h热压的靶95%Si、5%Fe 置于石英管内,石英管的一端通入Ar气作为载气,另一端以恒定速率抽气,整个系统在1200℃保温20h后,成功地制备了上百微米的Si纳米线。
（3）激光溅射法(包括激光沉积法)激光溅射法也是制备一维纳米材料的重要方法。
激光溅射法所用的设备包括激光源、聚光镜、目标靶、管式炉、冷却环、真空泵和气流阀等几个部分组成。
纳米材料基础与应用林志东第5章一维纳米材料
性特射发场
71
用应与础基料材米纳
图相的eG和uA�B��图意示长生的线米纳维一中法SLV在�A�
理机相固-相液-相气.1
法相气
法方备制的料材米纳维一
81
用应与础基料材米纳
。构结米纳维一成形长生面表剂化催 在�后簇团和饱过成形面表剂化催簇团属金态液到散扩气 蒸待�气蒸成形热加源料材的料材米纳维一的备制要所将 �点性活的物应反相气为作剂化催簇团属金态液以是法SLV
。质解电聚或剂性活面表为般一板模软
03
用应与础基料材米纳
。胺苯聚的状维纤米纳到得可 就滤过者或析渗过通后最。满填胺苯聚的色绿深被相水个整至只�相 水到散扩渐逐再�生产层面界在先首胺苯聚的色绿。层面界个一生产 接直相水和相机有�中杯烧到移转者两将的慢慢后然�中液溶水性酸 在解溶剂化氧�中�等苯甲、苯、烷己正�相机有在解溶先体单胺苯
。线米纳OnZ的mm 01约长 、mn 051~mn 02径直到得终最�长生上向底衬于直垂能 OnZ�配匹的好良间面)1000(OnZ和)011(底衬于由�长 生延外区膜uA在能只OnZ。料材底基)011(石宝蓝的长生线 米纳供提了置放区长生在�”区长生“线米纳的末粉合混离 远到送输体气rA动流被气蒸nZ的成生�℃509~℃088到热 加末粉物合混将下护保气rA纯高在�中舟铝化氧的部中炉式 管入放�料原为作粉墨石与粉OnZ的合混以后然�膜uA层 一长生上底衬石宝蓝 )格方(膜掩有在先首�是法方长生体具 其。列阵线米纳OnZ出长生延外上底基)011(石宝蓝在�中 炉式管在法积沉相气学化的化催uA用利等东培杨�年1002 备制线米纳OnZ :例
料材米纳维一 章5第
用应与础基料材米纳
2
用应与础基料材米纳
图意示的管碳米纳壁单与子原氢
一维纳米材料
一维纳米材料
一维纳米材料是指至少有一个尺寸在纳米尺度的材料，但其它两个尺寸可以是
微米或更大的材料。
这些材料通常具有独特的电子、光学和力学性能，因此在纳米科技领域有着广泛的应用前景。
首先，一维纳米材料具有高比表面积，这意味着它们可以提供更多的活性表面，从而在催化、传感和能源存储等领域具有潜在的应用。
例如，一维纳米材料可以作为高效的催化剂，用于提高能源转换效率和环境净化。
其次，一维纳米材料还具有优异的机械性能。
由于其高表面积和独特的结构，
一维纳米材料在增强材料、柔性电子器件和生物医学领域有着广泛的应用前景。
例如，碳纳米管可以作为高强度的纳米材料，用于制备轻质复合材料和高性能纳米传感器。
此外，一维纳米材料还具有优异的光学性能。
由于其尺寸与光波长相当，一维
纳米材料表现出与体材料不同的光学性质，如光子晶体的波导效应和光子禁带结构。
这些独特的光学性能使一维纳米材料在光子学器件、光电子器件和光催化等领域具有广泛的应用前景。
总的来说，一维纳米材料具有独特的电子、光学和力学性能，因此在催化、传感、能源存储、增强材料、柔性电子器件、生物医学、光子学器件、光电子器件和光催化等领域有着广泛的应用前景。
随着纳米科技的不断发展，相信一维纳米材料将会在更多领域展现出其巨大的应用潜力。
一维纳米材料及其性能
一维纳米材料，由于其具有沿一定方向的取向特性使其被认定为定向电子传输的理想材料，是可用于电子及光激子有效传输的最小维度结构，如场效应晶体管、共振隧道二极管、等纳米电子器件。
此外，一维纳米材料所具有的独特结构也使其在陶瓷增韧技术、微机电系统等领域发挥出独特优势。
一维纳米结构因集成了良好的电学、光学和化学性能而成为研究热点，并被广泛应用于各个领域。
纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。
最近，关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。
有人预计超微粒子催化剂在下一世纪很可能成为催化反应的主要角色。
尽管纳米级的催化剂还主要处于实验室阶段，尚未在工业上得到广泛的应用，但是它的应用前途方兴未艾。
催化剂的作用主要可归结为三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化、脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。
纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。
近年来科学工作者在纳米微粒催化剂的研究方面已取得一些结果，显示了纳米粒子催化剂的优越性。
高镀酸饺粉可以作为炸药的有效催化剂，以粒径小于0.3mm 的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率是传统镰催化剂的10倍，超细Pt粉、WC粉是高效的氢化催化剂。
超细的Fe，Ni与γ-Fe2O3混合轻烧结体可以代替贵金属而作为汽车尾气净化剂；超细Ag粉，可以作为乙烯氧化的催化剂；超细Fe粉，可在QH6气相热分解(1000-11000C)中起成核的作用而生成碳纤维。
Au超微粒子固载在Fe2O3，C03O4，NiO中，在70℃时就具有较高的催化氧化活性。
近年来发现一系列金属超微颗粒沉积在冷冻的饶腔基质上，特殊处理后将具有断裂C-C键或加成到C-H键之间的能力。
一维纳米材料的结构与性能研究
一维纳米材料的结构与性能研究纳米材料是一种尺寸在纳米尺度范围内的材料，其特殊的尺寸效应和表面效应使其具有许多独特的物理、化学和力学性能。
在纳米材料中，一维纳米材料是一种具有高度纳米化特征的材料形态，其在纳米科技领域具有广泛的应用潜力。
一维纳米材料的结构特征主要包括形态、尺寸和结晶度等方面。
形态上，一维纳米材料可以是纳米线、纳米柱、纳米管等形状。
尺寸上，一维纳米材料的直径通常在几纳米到几十纳米之间。
结晶度上，一维纳米材料由于尺寸受限，其晶体结构往往具有独特的纳米结构。
一维纳米材料的性能研究主要涉及其力学性能、电子性能和光学性能等方面。
在力学性能方面，一维纳米材料由于其尺寸效应和表面效应的影响，具有优异的力学性能，如高强度、高韧性和高模量等特点。
在电子性能方面，一维纳米材料的电子输运性质和能带结构可以通过调控其尺寸和形状来实现，从而具备优异的电子传输性能和电子结构调控能力。
在光学性能方面，一维纳米材料具有较大的比表面积，使其对光敏感度较高，并且可以通过调节其尺寸和形状来实现光学特性的调控，如表现出明显的量子限域效应和光学量子限域效应。
一维纳米材料的结构与性能研究主要依赖于一系列表征手段和研究方法。
在结构表征方面，常用的手段包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱等。
这些技术可以提供一维纳米材料的形态、尺寸、晶体结构和表面形貌等重要信息。
在性能研究方面，常用的手段包括力学测试、电学测试和光学测试等。
这些测试方法可以评估一维纳米材料在力学、电子和光学性能方面的表现，并帮助揭示其内部机制。
在一维纳米材料的研究中，材料的制备是关键的一步。
当前常用的制备方法包括物理气相沉积、溶液法、化学气相沉积和电化学方法等。
这些方法可以根据不同的材料和需求来选择合适的制备过程和参数，以获得具有良好结构和性能的一维纳米材料。
同时，材料的后续处理和修饰也是研究中不可忽视的环节，可以通过表面修饰、掺杂等方式对一维纳米材料进行功能化改进。
一维纳米材料
一维纳米材料
一维纳米材料是指其中至少有一个尺寸在纳米尺度（小于100纳米）范围内的材料，而其它两个尺寸则可以大于100纳米。
一维纳米材料通常包括纳米线、纳米棒和纳米管等形态。
由于其特殊的结构和性能，一维纳米材料在材料科学、纳米技术和纳米生物学等领域具有广泛的应用前景。
首先，一维纳米材料具有较大的比表面积。
由于其尺寸在纳米尺度范围内，一维纳米材料的比表面积通常较大，这使得其在催化剂、传感器、吸附剂等领域具有独特的优势。
比表面积的增大可以提高材料的反应活性，并且可以增加材料与其它物质的接触面积，从而提高材料的吸附性能。
其次，一维纳米材料具有优异的机械性能。
由于其尺寸在纳米尺度范围内，一维纳米材料通常具有较高的强度和韧性。
这使得一维纳米材料在材料强度和韧性要求较高的领域具有广泛的应用前景，如纳米传感器、纳米机械器件等。
另外，一维纳米材料具有优异的光学和电学性能。
由于其特殊的结构和尺寸效应，一维纳米材料通常表现出优异的光学和电学性能，如光学增强效应、光电传感效应等。
这使得一维纳米材料在光电器件、光学器件等领域具有重要的应用价值。
总的来说，一维纳米材料具有独特的结构和性能，具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，一维纳米材料必将在材料科学、纳米技术和纳米生物学等领域发挥重要作用，推动相关领域的发展和进步。
一维纳米材料
一维纳米材料的制备
1.2 碳氢化合物催化分解法
70年代，采用金属(Fe、Co、Ni、Cr)作催 化剂热分解碳氢化合物以制备碳纤维。受 此启发，由于NTs和碳纤维在形貌上的相似 性，发展了碳氢化合物催化分解法制备NTs。
Jose-Yacamdn 等 首 先 用 这 种 方 法 制 备 了 NTs，其长度达50μm.
1.碳纳米管的制备
1.1电弧法（石墨电弧法和催化电弧法） 1.2碳氢化合物催化分解法 1.3等离子体法 1.4激光法 1.5微孔模板法等 2.1气相氧化法 2.2液相氧化法 2.3溴化－气相氧化法 3.1激光烧蚀法与晶体生长的气-液-固( VLS) 相结合法 3.2蒸发冷凝法 3.3 气-固生长法 3.4溶液-液相-固相（SLS）法 3.5金属有机化合物气相外延与晶体的气液固生长法相结合法 3.6模板法（碳纳米管、多孔氧化铝和聚合物模板法等） 3.7溶胶-凝胶与碳热还原法（合成碳化硅和氮化硅纳米线）
2.1 气相氧化法
由于纳米碳管与其副产物在化学性质上非常
接近，所以用溶解过滤、层析分离以及溶解
在有机溶剂中用超声波处理后再离心分离等
都达不到纯化的目的。
气相氧化法可以使纳米管的封闭端口变为 开口（端口与管壁活性差异），受其启示 可以采用气相氧化的方法纯化纳米碳管 （非晶碳簇、石墨微粒、多面体结构、碳 纤维）。
1.3等离子体喷射沉积法
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三．纳米C管（CNT）的纯化： 纳米 管 ）的纯化：
制备NT的方法产率不高，多壁Kg/h级，单壁g级，产物含有杂质 包括无定形C，纳米C粒、催化剂，必提纯。 纯化方法有物理法：根据物理性质不同分离； 化学法：根据氧化速率不同而分离。 （一）物理纯化法：主要采用空间排斥色谱法（凝胶渗透色谱法)， 物理纯化法 该法采用填充剂为凝胶，含有许多不同尺寸孔穴或立体网状结构， 基于分子的尺度和形状的不同而分离。 原理：大分子（NT）不入孔穴被排斥先流出，小分子入孔穴最后流 出，中等分子介于两者之间。 特点：提纯物纯度不高，两次循环纯度可达90%。
四.纳米线与同轴电缆的制备
宏观量的新型纳米材料。长径比大(长度>µ)称纳米丝或线，长径比 小(长度<µ)称纳米棒 。
㈠ 模板法制纳米线或丝
1. 模板材料：C纳米管，Al2O3（多孔阳极膜），聚合物（如聚碳酸 模板材料： 脂），生命分子。 2. 化学反应原理：4Ga＋Ga2O3 化学反应原理： Ga2O（V）＋C＋4 NH3（V） 3Ga2O（V） 4GaN（纳米丝）＋H2O（V）＋ CO（V）＋5H2（V）
（二）化学纯化法：主要采用液相氧化法。采用不同的氧化剂（如 化学纯化法 KMnO4,KCr2O7,HNO3液）在液相氧化，将杂质氧化除去。该法反应 条件温和易于控制。 其它方法：空气氧化法（选择性差），红外辐射加热法，石 （三）其它方法 墨层化合法（不能除催化剂，易引入杂质）。 单壁NT采用综合法：化学、物理处理相结合。 总结： 总结 ①制备方法很多。只有电弧法能工业生产，催化法不久可实现。 ②产量逐渐增大，价值高。目前SWNT达g级，MWNT达Kg级，美 国C纳米公司2000年达200g/d，2002年达9Kg/d，2004年达t/d级，金 属所、清华大学达Kg/d级。500美元/g。 ③ 发展趋势：研究纯度高、产率大、成本低的制备方法。 问题：难以精确控制，机理不太清楚，与实际应用有差距。
3. C的多样性： 的多样性： 的多样性
石墨：原子晶体 ，片状、二维平面结构（无定形C 三维） C有多种同素异形体
（多晶型、多形态）
金刚石：原子晶体，规则的四面体 三维 C60（C球）：分子晶体，C网组成的笼状（富勒烯） 0维 C管：原子晶体，纳米尺度的圆筒，管状 一维， 超级碳纤维（500万根在一起有一根头发粗） 。 C –C材料:由C纤维、 C 织物、 增强C 、树脂 C 、 CVD碳所形成的复合材料。
㈢ CNT在电子学方面的应用 在电子学方面的应用
1. 纳米器件与电路：CNT电子器件，用于场效应管, 在纳米电路 （微型化）做纳米开关，速度达1012次/s，比目前的快1000倍； 用于计算机芯片的导热板,1cm2截面传十亿安培电流，热传递 速度10000m/s，有效冷却。 2. 场致发射材料：在一定电压的激发场下能发射电子的材料。CNT 极为尖锐，有低电压，大电流。用于场致发射大平面显示器; 还用于冷发射阴极射线管,作真空电子元件，微波放大器，真 空电源开关，场发射电子枪（用于电镜），真空制版技术等。 3. 纳米电磁器件：微型传感器（吸附NO2，NH3,引起电阻变化）， 电动机械装置（C管变形，电阻增加2数量级）， 纳米镊子（攝起500nm尺寸物）。
扶手椅型
锯齿型
螺旋型
2. 分类： 分类：
多壁纳米C管：管壁由多层C原子组成
C管 纳米管
单壁纳米C管：单层C原子组成 纳米C纤维： 直径100-200nm的C纤维状
单臂（螺旋状） 锯齿（齿状） 手性（椅状）
其它 管: 除纳米C管外，还有其它纳米管,如WS2、MoS2、 BN、 NiCl2 、TiO2 、 类脂体、MCM—41管中管、肽、水 铝英石纳米管 。
电弧法、催化热分解法、模板法等, 沸石作模板制得最小直径0.4nm, 极限是0.3nm。
管的制备： ㈢其它纳米C管的制备： 其它纳米 管的制备
1. 双壁纳米 管（CNT）的制备 双壁纳米C管 ）的制备在于准确控制C管的结构参数，集 中于层数的控制。 制备方法：富勒烯C60充填处理法、电弧放电法、流动催化法。 制备方法 2. 纳米 管阵列 纳米C管阵列 管阵列： 多壁阵列制备：微孔过滤法、等离子增强CVD、电化学刻蚀法、模 多壁阵列制备 板法。 单壁纳米C绳 超级管束）制备：改进电弧法、热解纳米图形法。 单壁纳米 绳（超级管束）制备 获得好的定向。 纳米C管生长机理 管生长机理： （四） 纳米 管生长机理 1．开口生长模型：生长过程的顶端总是开口，当生长条件不适应 ． 开口生长模型 ，则迅速封闭。 闭口生长模型：生长过程总是封闭的，管的生长是由于C原子 ２． 闭口生长模型 簇（C2）沉积，结环而完成。
纳米管力学性能的应用——增强材料 ㈡ C纳米管力学性能的应用 纳米管力学性能的应用 增强材料
1. 超级增强纤维，长径比大（100-1000），用于微型机器人，抗冲 击车身，建筑物，高强合金钢，轻质、高强绳索，用于宇宙飞 船，地球—月球乘人电梯（唯一不被自身重量拉断）。 2. CNT复合材料， 聚合物基：提高特定性能电导率、强度、防静电性、光电性； 金属基：提高耐磨性； 陶瓷基：提高韧性。 3.扫描探针显微镜和原子力显微镜针尖，使横向分辨率提高10倍。 可观察DNA、蛋白质，进行分子识别。
㈢
纳米C管的发现： 纳米 管的发现： 管的发现
古人在山洞取暖的火中制造出极少量的纳米C管。 1979年新西兰、日本的科学家，中国金属所刘华观 察到了多壁C管。1990年有人对富勒管进行理论和电 性的研究。 日本电子公司（NEC）的饭岛（S.Iijima）首先发现， 报道制备方法，进行了详细研究，在高倍电镜下观察 结构，并研究了导电、导热性。 1994年制出单壁纳米C管，发展了一系列方法。2000 年解思深造出0.5nm多壁管。香港沈平等造出0.4nm单 壁管。2001年用自组装法制备了纳米碳管。
太阳系中，按原子比率C列第四位（与O差不多），H»He»O»C
CaCO3（占总碳量的90%） 地球上C的丰度 位 地球上 的丰度14位（7×1016t） 的丰度 煤、石油、天然气、CO2 生物体（人体C占18%）
没有C就没有生命。
2. C特殊性： 特殊性： 特殊性
原子序数为6，原子量12.011。有三种同位素：12C为98.9%，13C 为1.01%，14C仅为极少量，12C为相对原子量的标准。位于元素周期 表第二周期第Ⅳ族。 原子结构：内部仅有球状1S2轨道，有利于SP轨道杂化，有单键和 标准的双键、三键,结合稳定。
3. 纳米碳管模板法： 纳米碳管模板法：
如图：将Ga－Ga2O3的混合粉末放在坩埚底部，C纳米管放在多孔纳 米Al2O3板上，通入NH3，加热到1173K，由下而上的Ga2O气体与 NH3和C反应，合成GaN纳米丝（直径4－50nm，长25µ）
纳米C 管
+MO（V） +N2 金属氧化物 纳米丝MN +CO MC纳米丝 +2X2 +MX4(V)
气体 石英管 电炉 排气
特点：简单、易控、产率大、发展快、有前途。新发展了原位法。 3. 其它方法： 其它方法： 电解法、低T固体热分解法、球磨法、扩散火焰法等。
单壁纳米C管 ㈡ 单壁纳米 管（SWNT）的制备： ）的制备：
单壁纳米C管制备与多壁纳米C管相比是必有特定催化剂，催化生长是由于 过渡金属有很高的修饰表面的活性。对单壁纳米C管进行了一些研究，包括用经 典的、半经验的、量子分子动力学模拟方法,研究还待深入。
其它方法制纳米线或丝： ㈡ 其它方法制纳米线或丝：
1. 气－固生长法：MgO与C（粉）为原料，1200℃生成Mg蒸气在 MgO衬底（上有纳米坑、丘）上生成MgO纳米丝（微型森林）。 2. 选择电沉积法：InAlAs作阴极，Ni丝作阳极，金属柠檬酸盐（ NiCit＋FeCit）作电解液，在阴极上析出Fe、Ni合金纳米线。 3. 其它还有：蒸发冷凝法、激光烧蚀法、金属有机物气相外延法 、聚合法等。
一维纳米材料----第五讲 一维纳米材料
纳米碳管 (Carbon Nanotubes , CNT)
一. 碳及纳米碳管（CNT）概述 碳及纳米碳管（ ） 纳米C管的制备 二. 纳米 管的制备 纳米C管的纯化 三. 纳米 管的纯化 四. 纳米线与同轴电缆的制备 纳米C管的性能与应用 五. 纳米 管的性能与应用
纳米同轴电缆制备： ㈢ 纳米同轴电缆制备：
1. 电弧放电法：石墨作阴极，HfB2作阳极在N2中由电弧放电，获 得C—BN－C（三明治结构） 2. 其它方法：制丝、线方法改进。如激光烧蚀法、模板法等。 制备产品有β－SiC为芯，外包SiO2；TaC为芯，外包SiO2等。 它们有独特性能、丰富内涵、广泛应用，在未来纳米结构器件占 有战略地位。
纳米C管的性能与应用 五. 纳米 管的性能与应用
纳米C管可看成分子尺度的纤维，物理学家特别重视它的电性 质，化学家把它视为“纳米试管”，材料学家对它的韧性、强度和 弹性感兴趣。
㈠纳米C管的特性 纳米 管的特性
1. 具有超高的力学性能：能承受>40%的张力应变，约为钢抗拉强 度的100倍，密度为其1/6。 2. 有强烈的吸附气体性能：储H能力强，吸附痕量气体如NO2电 阻增大，吸附O2、NH3电阻降低。 3. 有优异的电学性能：可呈金属（2/3）、半金属和半导体（1/3 ）特性（通过掺杂B、N），电子传递无能量损失。有量子线性 质，包括电磁性能，场致发射性能，电化学性能。 4. 有独特的化学性能：为无机单元素高分子，管外具有化学活性 ，管中作为纳米试管，内部压力达1300atm。 5. 其它性能：超导性，微波吸收性，导热性。
C材料是有重要前景的新材料, 纳米C管开辟了纳米材料研究的新领域。
纳米C管的概念与分类 管的概念与分类 Nhomakorabea ㈡ 纳米 管的概念与分类:
1. 纳米 管： 纳米C管
由六角网状平面的石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成 的管状，其两端由半球（富勒烯）封帽而成的C材料。外径0.3100nm，长几微米到几百微米。