纳米材料的形貌控制
纳米材料的粒度分析与形貌分析

随着粒度的减小,纳米材料的磁矫顽力通常会增加,这是因为小尺寸效应增强了磁畴壁的稳定性。此外,形貌对 纳米材料的磁各向异性也有重要影响,可以通过改变形貌来优化磁存储和磁传感器等应用中的性能。
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原料性质
原料纯度
原料中的杂质会影响纳米材料的生长过程,从而影响其粒度和形貌。高纯度的原料有利于获得粒度和形貌均匀的纳米 材料。
原料晶型
不同晶型的原料会生成不同结构和形貌的纳米材料。例如,采用硫化物原料制备的纳米材料多为立方状或球状,而采 用氧化物原料制备的纳米材料多为棒状或纤维状。
原料粒度
原料的粒度大小直接影响最终纳米材料的粒度和形貌。采用纳米级原料作为起始物,可以获得更小粒度 的纳米材料,同时也有利于保持形貌的规整性。
按维度分类
根据在纳米尺度上的维度数,纳米材 料可分为零维(0D)、一维(1D) 、二维(2D)等类型的纳米材料。
CHAPTER 02
粒度分析
粒度分析方法
激光散射法
利用激光照射纳米材料,通过 散射光的强度和分布测量粒径
。
小角X射线散射法
利用X射线照射纳米材料,通过 散射的X射线强度和角度测量粒 径。
纳米材料的粒度分析 与形貌分析
目 录
• 纳米材料的基本概念 • 粒度分析 • 形貌分析 • 纳米材料粒度与形貌的影响因素 • 粒度与形貌对纳米材料性能的影响
CHAPTER 01
纳米材料的基本概念
纳米材料定义
01
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(1100nm)或由它们作为基本单元 构成的材料。
量的重要手段。
粒度分析促进纳米科技发展
03
纳米材料的形貌控制
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纳⽶材料的形貌控制纳⽶材料的形貌控制摘要形貌及尺⼨规整可控的纳⽶晶体的合成是⽬前⼗分引⼈注⽬的纳⽶材料研究领域。
制备合成中的形貌调控及其功能化是这些纳⽶材料能够得到应⽤的关键问题。
研究者们希望在纳⽶晶的任⼀阶段均能实现控制并在期望的阶段停⽌,从⽽得到尺⼨、形态、结构及组成确定的纳⽶晶体。
本⽂对纳⽶材料的基本概念、纳⽶材料的分类和纳⽶材料的合成⽅法以及纳⽶技术应⽤状况作了介绍,并基于晶核的⽣成、晶核进化为晶种以及晶种⽣长为晶体三个阶段,论述了各种在纳⽶材料的合成过程中,从热⼒学和动⼒学⽅⾯如何调控晶体形貌。
探索纳⽶粒⼦的调控合成对于纳⽶材料的规模化⽣产及应⽤具有重要的理论价值和指导意义。
关键词:纳⽶材料,晶核,晶种,形貌控制⽬录1 前⾔ (1)2 纳⽶材料的简介 (1)2.1 纳⽶材料的概念 (1)2.2 纳⽶材料的研究历史 (2)2.3 纳⽶材料的分类 (2)2.4 纳⽶材料的基本特性 (4)2.4.1 量⼦尺⼨效应 (4)2.4.2 表⾯效应 (4)2.4.3 宏观量⼦隧道效应 (5)2.4.4 ⼩尺⼨效应 (5)2.4.5 介电限域效应 (5)2.5 纳⽶材料的物理与化学特性 (6)2.5.1 物理特性 (6)2.5.2 化学特性 (8)3 纳⽶材料的制备⽅法 (9)3.1 物理⽅法 (9)3.1.1 ⽓体蒸发法 (9)3.1.2 真空冷凝法 (9)3.1.3 物理粉碎法 (9)3.1.4 机械球磨法 (9)3.1.5 溅射法 (10)3.2 化学⽅法 (10)3.2.1 ⽓相反应法 (10)3.2.2 沉淀法 (10)3.2.3 ⽔热反应法 (11)3.2.4 溶胶-凝胶法 (11)3.2.5 微乳液法 (11)3.2.6 醇盐分解法 (12)3.2.7 喷雾热解法 (12)3.2.8 化学还原法 (12)4 纳⽶材料的形貌控制 (13)4.1 纳⽶材料形貌研究的意义及进展 (13)4.2 纳⽶材料形貌控制主要机理 (13)4.3纳⽶粒⼦合成的动⼒学过程分析 (13)4.3.1 成核阶段的控制 (14)4.3.2 ⽣长阶段的控制 (16)4.3.3 熟化过程的控制 (17)4.4纳⽶粒⼦合成的热⼒学过程分析 (18)5 ⽣长环境相对晶体⽣长形貌的影响 (19)5.1 溶液过饱和度的影响 (19)5.2 溶液pH值的影响 (20)5.3 温度的影响 (21)5.4 杂质的影响 (21)6 结论及展望 (22)参考⽂献 (23)1 前⾔纳⽶技术作为21世纪的主导科学技术,将会像20世纪70年代微⽶技术在世纪交的信息⾰命中起的关键作⽤⼀样,给⼈类带来⼀场前所未有的新的⼯业⾰命。
纳米晶体材料的形貌控制和性能优化技术
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纳米晶体材料的形貌控制和性能优化技术纳米晶体材料具有与传统材料相比独特的性质和应用潜力,它们在材料科学和工程领域中引起了广泛的关注。
纳米晶体材料的形貌控制和性能优化技术是实现其各种应用的关键,本文将详细探讨这些技术的原理、方法和应用。
形貌控制是指在纳米晶体材料制备过程中调控其形态和结构。
通过合理的形貌控制,可以调节纳米晶体的表面积、孔隙结构、晶体形状等特征,从而调整其物理、化学和力学性能。
常用的形貌控制方法包括溶胶-凝胶法、水热法、电化学沉积法、热分解法等。
这些方法通过调节反应条件、添加表面活性剂、改变溶剂热力学性质等手段,可以实现对纳米晶体形貌的精确控制。
一种常用的形貌控制技术是溶胶-凝胶法。
该方法通过溶胶中的原子或分子自聚合形成胶体粒子,然后通过凝胶反应固化成纳米晶体。
这种方法可以通过调节反应溶液的浓度、pH值、温度等参数,实现纳米晶体形貌的控制。
此外,利用表面活性剂可以在溶液中形成胶体粒子的核心-壳结构,通过调节表面活性剂的类型和浓度,可以调控纳米晶体的形貌。
水热法也是一种常用的形貌控制技术。
该方法利用高温高压水介质中的热力学性质,促使溶液中的原子或分子形成纳米晶体。
水热法具有反应温度低、反应时间短、成本低等优点,适用于制备各种形貌的纳米晶体材料。
通过调节反应温度、压力、溶液成分等参数,可以实现纳米晶体形貌的精确控制。
电化学沉积法是一种利用电化学反应控制纳米晶体形貌的技术。
该方法利用电极电位和电流密度的调节,使溶液中的离子在电极表面沉积形成纳米晶体。
电化学沉积法具有操作简单、形貌可调性强、制备成本低等优点。
通过调节电极材料、电解液成分和电流密度等参数,可以实现对纳米晶体形貌的准确控制。
除了形貌控制,性能优化也是纳米晶体材料研究的关键问题。
纳米晶体材料的性能受其晶格结构、晶界特征和表面性质的影响,因此通过调控纳米晶体的结构和表面特征,可以实现其性能的优化。
一种常用的性能优化技术是控制纳米晶体的尺寸和晶格结构。
纳米材料的性能调控与优化策略
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纳米材料的性能调控与优化策略纳米材料是指在尺寸范围为纳米级别的材料,这些材料具有与宏观材料不同的特殊性能和应用潜力。
纳米材料在能源储存、催化剂、传感器、生物医学等领域具有广阔的应用前景。
然而,由于纳米材料的特殊性质,需要通过性能调控和优化策略来实现其更好的应用效果。
纳米材料的性能调控主要包括结构调控、成分调控和表面调控三个方面。
结构调控是指通过控制纳米材料的晶体结构、形貌和尺寸来调节其性能。
例如,改变纳米材料的晶格结构可以调控其力学性能、导电性能和磁性等。
此外,纳米材料的形貌也对其性能具有重要影响,通过调控纳米材料的形貌,可以优化其光学性能、表面活性以及催化活性等。
另外,纳米材料的尺寸也是影响其性能的关键因素,通常,纳米材料的尺寸减小到纳米级别后,其表面积增大,从而使其具有更高的比表面积和活性。
成分调控是指通过调节纳米材料的化学成分来优化其性能。
纳米材料的化学成分可以通过合成材料时的配比或添加不同的元素来调控。
例如,在合成金属纳米颗粒时,通过调节金属离子的浓度和配比,可以调控纳米材料的结晶度、电化学性能和表面活性。
此外,通过掺杂其他元素,如稀土元素、半导体元素等,可以调控纳米材料的能带结构、电子结构和光学性能,从而实现其在光电器件和传感器等领域的应用。
表面调控是指通过改变纳米材料的表面性质来调节其性能。
纳米材料的表面具有高表面能和活性位点,与传统材料相比,纳米材料在表面活性、化学反应和吸附等方面具有更高的活性。
通过调控纳米材料的表面性质,可以实现其高选择性催化和高灵敏度传感等应用。
例如,以纳米金属为基础的催化剂通常具有高比表面积和丰富的表面活性位点,通过优化纳米材料的表面组成、晶面表露度和结构缺陷等,可以实现对催化剂的性能进一步调控和优化。
为了实现纳米材料的性能调控和优化,需要综合运用物理、化学和材料学等学科的知识。
首先,合理选择和开发合成方法,控制纳米材料的尺寸、形貌和结构。
目前,常用的制备方法包括溶胶凝胶法、溶液法、气相法和物理法等。
纳米材料的形貌调控与其性能关系研究
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纳米材料的形貌调控与其性能关系研究随着纳米科技的快速发展,纳米材料越来越成为各个领域研究的热点之一。
纳米材料的独特性能对于提升现有技术和开发新技术有着巨大的潜力。
然而,由于纳米材料的尺寸效应和表面效应,其性能与其形貌之间存在着密切的关系。
因此,纳米材料的形貌调控对于实现其优良性能具有重要意义。
形貌调控是指通过合适的方法和手段改变纳米材料的形状和结构,从而对其性能进行调控的过程。
在过去的研究中,人们已经取得了一系列关于纳米材料形貌调控的重要进展。
针对不同材料的形貌调控研究主要包含两个层面:一是从宏观上改变纳米材料的整体形状,例如球形、棒状、片状等;二是在微观尺度上调控纳米材料的晶体结构和表面形貌。
在纳米材料的宏观形状调控方面,人们常用的方法包括模板法、界面共沉积法等。
这些方法能够通过调控外部条件,限制纳米材料的生长方向,从而实现对其形状的控制。
例如,使用正交胆碱为模板可以制备出球形纳米颗粒;利用硝基甲烷作为氧化剂可以合成出管状纳米线。
通过不同组合和改变外部条件的方式,研究人员已经成功获得了各种形态的纳米材料。
这些不同形状的纳米材料在光学、电学、磁学等方面都呈现出独特的性能,拓宽了纳米材料应用的范围。
而在纳米材料的微观结构和表面形貌调控方面,研究人员主要采用了溶液法、气相法和高压合成法等。
这些方法可以通过调控原料成分、反应时间和反应条件等参数,实现对纳米材料晶体结构和表面形貌的调控。
例如,通过控制锌离子、镁离子和氢氧根离子等的浓度和反应温度,可以调控氧化锌纳米颗粒的晶相和形貌。
此外,通过在生长过程中加入选择性添加剂,可以实现对氧化铜纳米线的形貌调控,例如变化其大小、密度和形状。
这些微观结构和表面形貌的调控对纳米材料的光学、电学、催化等性能有着重要影响,对于实现其优良性能具有重要意义。
纳米材料的形貌调控不仅对于基础研究有着重要作用,也对于应用开发具有重要意义。
不同形貌的纳米材料具有不同的性能和应用潜力。
纳米材料的形貌控制.(DOC)
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纳米材料的形貌控制1 概述纳米材料是指材料的三维尺寸中至少有一维处于纳米尺度(1-100 nm),或由纳米尺度结构单元构成的材料。
随着纳米材料尺寸的降低,其表面的晶体结构和电子结构发生了变化,产生了如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等宏观物质所不具有的特殊效应,从而具有传统材料所不具备的物理化学性质。
纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物质交界的过渡域,是介于微观原子或分子和宏观物质间的过渡亚稳态物质,它有着与传统固体材料显著不同的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[1],表现出奇异的光学、磁学、电学、力学和化学特性。
1.1 纳米材料的特性1.1.1 量子尺寸效应当粒子的尺寸下降到某一临界值时,其费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级,并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,使得能隙变宽的现象,称为纳米材料的量子尺寸效应。
当能级间距大于磁能、热能、静电能或超导态的凝聚能时,量子尺寸效应会导致纳米颗粒光、电、磁、热及超导电性能与宏观性能显著不同。
量子尺寸效应是未来光电子、微电子器件的基础。
1.1.2 小尺寸效应当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等外部物理量的特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米颗粒表面层附近的原子密度减小,从而导致其光、电、磁、声、热、力学等物质特性呈现出显著的变化:如熔点降低;磁有序向磁无序态,超导相向正常相的转变;光吸收显著增加,并产生吸收峰的等离子共振频移;声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。
纳米材料的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。
1.1.3 表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引起的材料性质上的变化。
随着材料尺寸的减小,比表面积和表面原子所占的原子比例将会显著增加。
例如,当颗粒的粒径为10 nm时,表面原子数为晶粒原子总数的20%,而当粒径为l nm时,表面原子百分数增大到99%。
纳米材料的形貌调控与结构性能研究
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纳米材料的形貌调控与结构性能研究纳米材料(Nanomaterials)由于其独特的尺寸效应和表面效应在材料科学领域引起了广泛的关注。
在纳米尺度下,材料的形貌调控与结构性能研究成为了一个重要的研究领域。
本文将探讨纳米材料形貌调控的方法和其对结构性能的影响。
一、纳米材料形貌调控方法纳米材料的形貌调控是通过控制合成条件和材料结构的特殊设计来实现的。
常见的方法包括化学合成法、物理制备法和生物合成法等。
1. 化学合成法化学合成法是一种常用的纳米材料形貌调控方法。
通过控制反应条件、添加特定的添加剂和调节溶剂等来改变纳米材料的形貌。
例如,通过在溶液中引入表面活性剂可以控制纳米晶体的生长方向,从而实现形貌调控。
2. 物理制备法物理制备法是另一种常见的纳米材料形貌调控方法。
例如,通过磁控溅射法、激光烧结法等可以制备出具有不同形貌的纳米材料。
利用物理方法,可以调节纳米材料的多孔结构和片层结构等形貌特征。
3. 生物合成法生物合成法是一种新兴的纳米材料形貌调控方法。
通过利用生物体内存在的微生物、细胞和酶等对纳米材料进行生物合成,并通过调节相应的生物反应条件来实现纳米材料的形貌调控。
生物合成法在环境友好、资源节约等方面具有优势。
二、纳米材料形貌调控对结构性能的影响纳米材料的形貌调控对其结构性能具有重要影响。
通过调控纳米材料的形貌,可以改变其比表面积、晶体结构和晶格缺陷等特征,从而影响其光电、催化、力学和磁性等性能。
1. 光电性能纳米材料的形貌调控对其光电性能具有重要影响。
例如,通过合理调控纳米颗粒的形状和大小,可以实现对其吸收、发射和传导等光电过程的控制,从而提高纳米材料的光催化、光电传感和光电转换效率等性能。
2. 催化性能纳米材料的形貌调控对其催化性能的影响也十分显著。
通过调节纳米材料的形貌,可以改变其表面活性位点的暴露程度和结构稳定性,从而提高纳米材料的催化活性和选择性。
例如,通过调控纳米催化剂的形貌可以实现对其催化反应的选择性控制。
金纳米颗粒的制备及形貌控制的开题报告
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金纳米颗粒的制备及形貌控制的开题报告
摘要:
金纳米颗粒是一种应用广泛的纳米材料,其制备方法和形貌控制在纳米科技中具有重要意义。
本文主要探讨了金纳米颗粒的制备方法、形貌控制以及其在生物医学、光学和电子学等领域中的应用。
关键词:
金纳米颗粒,制备,形貌控制
一、研究背景
金纳米颗粒是一种具有独特物理和化学性质的纳米材料,在许多领域具有广泛的应用前景。
金纳米颗粒的制备方法和形貌控制对其性质及应用具有很大的影响,因此被广泛研究。
二、制备方法
金纳米颗粒的制备方法主要包括化学还原法、电化学法、激光还原法等。
其中,化学还原法最为常用,其原理为在还原剂的作用下使金离子还原成金纳米颗粒。
化学还原法可以控制金纳米颗粒的尺寸、形状等性质,并且具有操作简单、灵活性强的优点。
三、形貌控制
金纳米颗粒的形貌对其性质和应用具有很大的影响。
在制备金纳米颗粒的过程中,引入不同的还原剂、表面修饰剂和模板等可以控制其形貌。
例如,添加有机酸可以制备出星形金纳米颗粒,而添加某些表面活性剂可以制备出长方形、六边形等形状的金纳米颗粒。
四、应用领域
金纳米颗粒具有在生物医学、光学、电子学等领域中的广泛应用。
在生物医学中,金纳米颗粒可以作为生物传感器、药物载体、生物成像
等方面的应用;在光学中,金纳米颗粒可以用于太阳能电池、增强拉曼光谱等;在电子学中,金纳米颗粒可以作为存储介质、传感器等应用。
五、结论与展望
金纳米颗粒的制备方法和形貌控制在纳米科技中具有重要意义,其应用前景广阔。
未来的研究方向应当致力于探索更加高效、环保的制备方法,并探索金纳米颗粒在更多领域的应用。
纳米颗粒材料的形貌调控与应用研究进展
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纳米颗粒材料的形貌调控与应用研究进展随着科技的不断发展,纳米颗粒材料在各个领域中的应用越来越广泛。
而纳米颗粒材料的形貌调控作为一个关键的研究领域,对其性能和应用具有重要意义。
本文将介绍纳米颗粒材料的形貌调控方法和其在不同领域中的应用研究进展。
一、纳米颗粒材料的形貌调控方法1. 模板法调控形貌模板法是一种常用的调控纳米颗粒材料形貌的方法。
该方法利用具有特殊形状的模板来控制纳米颗粒的生长方向和形态。
例如,通过使用纳米孔膜模板,可以制备出具有不同孔径和排列方式的纳米颗粒阵列。
这种方法可用于制备光学、电子、磁性等性能优异的纳米结构材料。
2. 溶液法调控形貌溶液法是制备纳米颗粒材料的常用方法之一。
通过调控反应溶液的成分、浓度、温度等条件,可以实现对纳米颗粒形貌的控制。
例如,通过调节镍盐和硼氢化钠的浓度,可以制备出具有不同形状的镍纳米颗粒,如球形、棒状、片状等。
该方法简单易行,适用于大规模生产。
3. 等离子体法调控形貌等离子体法是一种基于等离子体化学的方法,可以实现对纳米颗粒形貌和尺寸的调控。
通过将金属或其化合物的前体物质放置在等离子体条件下,可以在纳米尺度上控制生成的物质形貌和尺寸。
例如,利用等离子电解法可以制备出具有不同形状的金纳米颗粒,如球形、六棱柱状、星形等。
该方法具有高度可控性和可扩展性。
二、纳米颗粒材料的应用研究进展1. 生物医学应用纳米颗粒材料在生物医学领域中有着广泛的应用前景。
通过调控纳米颗粒的形貌和组成,可以实现对纳米药物载体、生物传感器、癌症治疗等的优化。
例如,通过将药物包裹在具有孔隙结构的纳米颗粒中,可以有效增加药物的负荷量,并提高药物的靶向性。
此外,纳米颗粒还可以用于生物成像和诊断,如纳米磁性颗粒在磁共振成像中的应用等。
2. 能源领域应用纳米颗粒材料在能源领域中也有着广泛的应用研究。
通过调控纳米颗粒的形貌和结构,可以实现对光催化、光电转换、电化学等能源转换和存储过程的优化。
例如,通过调节氧气浓度和温度,在纳米颗粒表面形成氧化铈壳层,可以提高光催化反应中氧化还原活性物种的生成和传输效率。
纳米 表观形貌
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纳米表观形貌
纳米表观形貌是指纳米级别下物质表面的形貌特征。
纳米级别的物质表面具有高度的表面积和表面能,因此表面形貌对物质的性质和应用具有重要影响。
纳米表观形貌的研究已经成为纳米科技领域的热点之一。
纳米表观形貌的研究主要涉及到表面形貌的表征和控制。
表面形貌的表征可以通过扫描电子显微镜、原子力显微镜等高分辨率显微镜进行观察和分析。
这些显微镜可以将物质表面的形貌特征放大到纳米级别,从而揭示出物质表面的微观结构和形貌特征。
表面形貌的控制则需要通过纳米加工、纳米涂覆等技术手段来实现。
这些技术手段可以对物质表面进行精细的加工和涂覆,从而控制物质表面的形貌特征。
纳米表观形貌的研究在材料科学、生物医学、能源环境等领域具有广泛的应用。
在材料科学领域,纳米表观形貌的研究可以用于制备具有特定形貌和结构的纳米材料,从而实现对材料性质的调控和优化。
在生物医学领域,纳米表观形貌的研究可以用于制备具有特定形貌和结构的纳米药物,从而实现对药物的靶向输送和控制释放。
在能源环境领域,纳米表观形貌的研究可以用于制备具有高效催化性能的纳米催化剂,从而实现对能源和环境的可持续发展。
纳米表观形貌的研究是纳米科技领域的重要研究方向之一。
通过对物质表面形貌的表征和控制,可以实现对物质性质和应用的调控和
优化,从而推动纳米科技的发展和应用。
纳米材料的晶体结构与形貌调控
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纳米材料的晶体结构与形貌调控纳米材料是当今材料科学领域的研究热点之一。
其特殊的结构和性质使其在能源、生物医学、光电子等领域具有巨大的应用潜力。
在纳米材料的研究中,晶体结构和形貌的调控是非常重要的,因为这直接影响着纳米材料的性能和应用。
首先,我们来看一下纳米材料的晶体结构调控。
纳米材料的晶体结构主要包括晶体相和晶体形状两个方面。
晶体相指的是纳米材料的晶格结构和组成元素,而晶体形状则指的是纳米材料粒子的形状和大小。
在纳米材料的制备过程中,通过调控合成条件、添加引发剂或者控制晶体生长速率等方法,可以实现对纳米晶体的结构调控。
例如,通过改变合成温度和反应物浓度等条件,可以合成不同结构相的纳米材料,如金属纳米晶体、半导体纳米晶体和氧化物纳米晶体等。
另外,通过选择合适的晶体生长方法,也可以实现对纳米材料形貌的调控。
晶体生长方法可以分为一维生长、二维生长和立体生长。
在一维生长中,纳米材料的生长主要沿着一定方向进行,产生纳米线、纳米棒等形状。
二维生长中,纳米材料的生长主要发生在一个平面上,产生纳米片、纳米薄膜等形状。
立体生长中,纳米材料的生长在三维空间内进行,产生纳米颗粒、纳米球等形状。
通过选择适合的生长方法,可以控制纳米材料的形状和大小。
除了晶体结构和形貌调控,纳米材料的性能和应用也与表面结构密切相关。
纳米材料的表面结构主要包括晶面和表面修饰物。
晶面是指纳米材料表面最低能量晶格平面,具有特定的晶胞参数和原子排列方式。
通过选择合适的晶面,可以调控纳米材料的光电性能、催化性能等。
同时,在纳米材料的合成过程中,添加表面修饰物也可以实现对纳米材料性能的调控。
例如,通过在纳米表面沉积一层金属或者合成一种有机化合物,可以调控纳米材料的表面电导性、对外界环境的响应等性能。
纳米材料的晶体结构和形貌调控在应用领域具有重要意义。
例如,在能源领域,通过调控纳米材料的晶体结构和形貌,可以实现高效的光催化水分解,提高太阳能电池的能量转换效率。
纳米材料的形貌调控与可控合成
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纳米材料的形貌调控与可控合成纳米材料是指尺寸在1到100纳米之间的材料,由于其特殊的尺度效应和表面效应,具有许多优异的物理、化学和生物性能。
纳米材料在能源储存、传感器、催化剂和生物医学等领域具有广阔的应用前景。
然而,纳米材料在合成过程中晶相和形貌的控制是一项具有挑战性的任务。
纳米材料的形貌是指其外观的特征,如纳米颗粒的形状、尺寸和结构等。
形貌对于纳米材料的性能和应用至关重要。
例如,金属纳米颗粒的形貌会影响其表面等离子共振特性,从而影响其光学性能。
同时,纳米材料的形貌还与其晶体结构和晶面排列密切相关。
因此,实现对纳米材料形貌的调控对于深入了解其性质和应用具有重要意义。
对于纳米材料形貌调控的研究,早期主要采用物理和化学方法进行。
物理方法包括模板法、溶剂热反应和机械法等,通过外力作用或模板介导来控制纳米颗粒的形貌。
化学方法则是通过调控反应条件、添加表面活性剂或引入控制剂等方式,实现对纳米材料形貌的控制。
这些方法虽然能够获得一定程度上的形貌调控,但通常存在着反应条件复杂、控制不准确和后处理困难等问题。
近年来,随着纳米科技和材料化学领域的进展,人们逐渐意识到通过纳米粒子的自组装来实现形貌调控的潜力。
自组装是指材料的分子或粒子通过相互作用力自发地组装成有序结构。
在纳米尺度下,通过调控粒子间的静电相互作用、范德华力和亲疏水性等,可以实现纳米颗粒的自组装,并从而实现对其形貌的可控合成。
这种自组装方法不仅能够简化合成步骤和条件,而且还能够实现高度一致和可重复性的形貌调控。
例如,通过控制纳米粒子表面的亲疏水性,可以实现纳米颗粒的自组装形成有序结构。
当表面修饰剂选择为亲水性时,纳米颗粒会自发地聚集在一起形成有序的纳米颗粒堆积体,例如纳米球簇。
而当选择为疏水性时,纳米颗粒则倾向于分散在溶液中形成胶束结构。
通过调节亲疏水性的比例和浓度,可以实现对纳米颗粒形貌的调控。
另外,还有一种常见的形貌调控方法是通过控制溶液中各成分的浓度和沉淀速率,实现纳米材料形貌的调控。
纳米材料的制备与性能调控
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纳米材料的制备与性能调控随着人们对材料性能要求的不断提高,纳米材料逐渐成为人们研究的热点。
纳米材料的制备技术和性能调控技术是研究纳米材料的基础和关键。
在本文中,将对纳米材料的制备和性能调控技术进行探讨。
一、纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术是纳米材料研究领域的基础,其制备技术分为物理化学方法和生物制备方法等两大类。
1、物理化学方法(1)化学合成法化学合成法是目前应用最广的纳米材料制备方法之一。
其优点是成本较低,制备过程简单,且能制备出纳米粒子的结构形态可控。
以金属纳米粒子为例,其制备过程通常是通过还原反应将金属离子还原为金属纳米粒子,还原剂可以是氢气、甲醛、硼氢化钠等。
而调控实验条件,例如反应溶液的pH值、反应温度和还原速率等,可有效控制金属离子的还原和自组装过程,控制纳米粒子的形态、尺寸和结构。
(2)溶剂热法溶剂热法是基于溶剂的高温高压作用原理,通过真空和高温的作用使溶液中的离子聚集形成纳米材料。
其优点是不需要表面活性剂,使制备的纳米微粒表面一般较为光滑,与一些生物材料的结合更加紧密,但是其制备过程比较复杂,成本相对较高,需要对反应过程进行调控。
(3)气相法气相法是通过在高温气相下使气态的铁、镍等金属原子聚集成纳米晶体。
该方法具有纯度高、制备规模大、产品质量稳定等优点,但成本相对较高,需要高功率高温等设备的支持。
2、生物制备方法随着生物技术的发展,生物制备方法成为了纳米材料研究的重要方法之一。
与化学合成法相比,生物制备方法使用的是生物微生物体或生物体胞外物质等原料,其优点是成本低,节能环保。
生物体同化合物反应后产生的纳米颗粒被称为生物矿化颗粒,其形态多样,尺寸可控,是制备新型复合材料和仿生材料的理想原料。
生物制备方法最常见的是通过细胞培养技术进行的生物制备,如利用细胞的代谢产物对金属离子进行还原,制备出纳米金属材料和纳米半导体材料。
二、纳米材料的性能调控技术纳米材料的性能调控技术是指通过改变纳米材料的结构形态、表面性质、组成等,调控纳米材料的物理、化学等性质,从而实现纳米材料的精准设计和应用。
纳米材料的结构与形貌控制
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1. 成核过程
成核过程是液相纳米晶体生长的起始过程。 晶体生长过程主要分为成核控制和扩散控制。 对于很小的晶体,可能不存在位错或其它缺陷,生长是 由分子或离子一层一层地沉积进行的。 因此,对于成核控制的晶体生长,成核速率可看作是晶 体生长速率。 当晶体的某一层长到足够大时,溶液中的离子在完整表 面上不能找到有效吸附点而使晶体的生长停止,这时,单 个表面晶核和溶液之间形成不稳定状态。
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根据成核理论,成核半径: Rk=-2σ/ΔGv 其中,σ为液体与固体界面的表面张力,ΔGv为恒体 积条件下反应的自由能变化。由上式推论:如果要促进 成核,减小成核半径Rk,那么可以通过增加反应的ΔGv, 或者减小表面能σ来实现。对于确定的反应,ΔGv是很难 改变多少的,固液界面的张力却可以通过添加表面活性 剂来实现。因此,表面活性剂在纳米晶的制备过程中被 大量使用,实验结果也证实这确实是一种有效的制备高 质量量子点的方法。
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从晶体学的角度来看,纳米晶的形成是一个各个晶 面竞争生长的过程。由于各晶面原子密度不同,表面 能量不同,由此导致吸附和沉积行为不同,生长速率 不同,生长快的晶面会自动消失。因此一般纳米晶最 后结晶比较完美的产品都是被某些特定的晶面族所包 裹。 对于最终产品维度、尺寸和形貌的控制手段依颗粒 种类、尺寸形貌等结构的要求的不同而不同,可以在 合成的各个阶段实现。
HPA:8%;20%;60%。 高表面修饰剂浓度,引起生 长方向改变。
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E 溶剂的影响
在半导体纳米材料的制备中,主要制备的是低维II-VI和IIIV化合物(纳米点、纳米线、纳米棒、纳米管等)。其中 现阶段做的最成功的是CdE(E=S,Se,Te),在此我们讨论 水热制备CdE的方法及溶剂对其形貌控制的影响。 现在制备CdE主要有以下途径: 一般是将溶液装入Teflon高压釜后在80-180℃反应312h,并且在空气中冷凝到室温。在此过程中,各种溶 剂被用来控制晶体的形状,大小和晶相.
纳米领域中材料表面形貌检测的技术方法
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纳米领域中材料表面形貌检测的技术方法概述纳米科技的快速发展为材料研究提供了许多新的机会和挑战。
在纳米材料的表面形貌检测中,准确且定量的表征是至关重要的。
本文将介绍几种常用的纳米材料表面形貌检测的技术方法,包括扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及干涉仪。
扫描电子显微镜(SEM)扫描电子显微镜是一种常见且有效的纳米材料表面形貌检测技术方法。
它利用高能电子束与样品表面相互作用来获得表面形貌的图像。
SEM不仅可以提供高分辨率的图像,还能够实现定量的表征。
通过控制电子束的扫描方式和参数,可以获得不同角度和深度的表面形貌信息。
此外,SEM还可以通过能谱仪来进行元素分析,从而获得更全面的样品信息。
原子力显微镜(AFM)原子力显微镜是一种非接触性、高分辨率的材料表面形貌检测技术。
AFM的工作原理是在探针和样品表面之间施加微小力以获得表面形貌。
由于其高分辨率和非损伤性的特点,AFM被广泛应用于纳米材料表面形貌检测中。
AFM可以提供准确的高度信息,并且具有亚纳米或原子级别的分辨率。
此外,它还可以通过力曲线测量获得材料的力学性质,例如弹性模量和硬度。
干涉仪干涉仪是一种基于光学干涉现象的纳米材料表面形貌检测技术方法。
它利用光的干涉现象来测量纳米材料表面的高度差异。
干涉仪可以提供高分辨率和快速的图像,尤其适用于形貌特征具有周期性或重复性的样品。
干涉仪在纳米领域中广泛应用于薄膜的厚度测量、表面粗糙度检测以及微米级别的形貌分析。
结论纳米领域中材料表面形貌的准确检测是实现纳米科技应用的关键。
本文介绍了几种常用的纳米材料表面形貌检测技术方法,包括扫描电子显微镜、原子力显微镜和干涉仪。
这些方法具有高分辨率、准确性和定量性的优势,并可以提供详细的表面形貌信息。
研究人员可以根据具体的研究目的选择适合的技术方法进行表面形貌的检测。
随着技术的不断进步,纳米材料表面形貌检测的方法也会继续发展,为纳米科技的研究和应用提供更多的可能性。
纳米颗粒材料的形貌调控方法研究
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纳米颗粒材料的形貌调控方法研究纳米颗粒材料在科学研究和工业应用中扮演着重要的角色,其独特的性质和应用潜力一直以来都备受关注。
然而,纳米颗粒的形貌对其性能和应用起着至关重要的作用。
因此,研究人员一直致力于开发各种方法来调控纳米颗粒材料的形貌,以实现更好的性能和应用效果。
在过去的几十年里,许多形貌调控方法已经被开发出来。
其中最常见和简单的方法是通过改变反应条件来调控纳米颗粒的形貌。
例如,溶剂的种类、反应温度和反应时间等因素都可以影响纳米颗粒的生长速率和晶型选择,从而最终导致不同形貌的纳米颗粒产生。
这种方法易于操作且成本低廉,因此在实验室研究和一些简单的应用中广泛使用。
然而,通过改变反应条件来调控纳米颗粒形貌存在一些限制。
首先,这种方法通常只能获得一种或少数几种形貌的纳米颗粒,难以实现复杂多样的形貌控制。
其次,这种方法往往不能实现在实际应用中所需的大规模生产,因为它需要精确的反应条件和反应时间控制。
因此,研究人员开始开发其他更灵活和可控的方法来调控纳米颗粒的形貌。
一种常见的方法是使用模板法。
这种方法通过在反应体系中引入特定的模板,例如胶体颗粒或有机聚合物微球,将纳米颗粒沉积到模板表面,然后通过溶解、离心或烧结等方法去除模板,从而获得具有特定形貌的纳米颗粒。
模板法可以实现对纳米颗粒形貌的精确控制,且适用于大规模生产。
但是,该方法需要合适的模板材料和繁琐的模板去除步骤,因此在实际应用中存在一定的限制。
近年来,基于表面活性剂的方法成为纳米颗粒形貌调控的热点研究领域。
表面活性剂是一种能降低表面能和界面能的物质,可以在反应体系中形成胶束结构,进而调控纳米颗粒的生长和形貌选择。
通过调节表面活性剂的类型、浓度和反应条件等因素,研究人员可以实现不同形貌、大小和分散度的纳米颗粒制备。
这种方法具有简单、高效和可控的特点,对于实现纳米颗粒形貌的调控具有重要的意义。
除了上述方法,还有许多其他形貌调控方法被提出,例如模板自组装、激光加工和电化学方法等。
静置沉淀在纳米材料合成中对尺寸分布与形貌控制的影响研究
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静置沉淀在纳米材料合成中对尺寸分布与形貌控制的影响研究尺寸分布和形貌控制是纳米材料合成中非常重要的研究方向。
而静置沉淀是一种常用的合成方法,通过在溶液中静置沉淀来形成纳米材料。
静置沉淀法是一种简单而有效的方法来合成纳米材料。
它的原理是利用反应物在溶液中缓慢沉淀的过程来形成纳米粒子。
在这个过程中,尺寸分布和形貌控制的研究变得非常重要。
首先,静置沉淀对尺寸分布的影响需要被研究。
在静置沉淀中,沉淀速度是尺寸分布的关键因素之一。
如果沉淀速度太快,会导致粒子聚集形成大型颗粒,从而影响尺寸分布的均匀性。
因此,调节反应条件如温度和反应时间,可以实现不同尺寸的纳米颗粒的合成。
其次,静置沉淀还对形貌控制有重要影响。
在沉淀过程中,由于溶液中反应物的浓度变化,纳米粒子的形态也会随之改变。
研究发现,控制沉淀速度可以控制纳米颗粒的形貌。
当沉淀速度较快时,纳米颗粒通常呈现较规则的形状,如球形或立方形。
而当沉淀速度较慢时,纳米颗粒往往呈现不规则的形状,如纳米棒或纳米片。
在静置沉淀中还可以通过控制添加剂或表面活性剂的使用来进一步调控纳米材料的尺寸分布和形貌。
添加剂可以改变反应物的浓度梯度,在沉淀过程中引入额外的能量吸收或扩散,从而影响纳米粒子的尺寸和形貌。
表面活性剂则可以调节溶液中纳米粒子之间的相互作用,控制纳米颗粒的形态和大小。
此外,静置沉淀还可以通过控制溶液的酸碱度或pH值来影响纳米材料的尺寸分布和形貌。
溶液的酸碱度可以改变反应物的溶解度和反应速率,从而影响纳米粒子的沉淀速率和尺寸分布。
在酸性条件下,纳米颗粒往往会较小而均匀。
而在碱性条件下,纳米颗粒往往较大而不规则。
综上所述,静置沉淀在纳米材料合成中对尺寸分布和形貌的控制至关重要。
通过调节反应条件、使用添加剂或表面活性剂以及控制溶液的酸碱度,可以实现纳米颗粒尺寸和形貌的精确控制。
这对于纳米材料的应用和性能提升具有重要意义。
静置沉淀是一种简单而有效的纳米材料合成方法。
在静置沉淀过程中,溶液中的离子或分子之间发生反应并沉淀形成纳米颗粒。
纳米颗粒制备工艺的尺寸与形貌调控
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纳米颗粒制备工艺的尺寸与形貌调控纳米颗粒是指其尺寸在1到100纳米之间的颗粒,具有独特的光学、电学、磁学、热学和力学性质,广泛应用于材料科学、生物医学、环境科学和能源等领域。
纳米颗粒的尺寸和形貌调控对其性能和应用具有重要影响,因此纳米颗粒的制备工艺中如何实现尺寸和形貌的调控一直是研究的重点之一。
纳米颗粒的尺寸和形貌调控可以通过以下几种方法实现:1. 化学合成法:化学合成法是制备纳米颗粒的主要方法之一。
通过控制反应条件、配比比例、溶剂选择等参数,可以控制反应过程中的核聚合速率和生成固相晶体的速率。
例如,溶液中的反应物浓度、溶液温度、反应物摩尔比、加入表面活性剂等可以影响合成颗粒的尺寸和形貌。
2. 物理方法:物理方法是通过物理手段制备纳米颗粒的方法。
常用的物理方法包括溅射法、热蒸发法、激光燃烧法等。
这些方法通过控制反应环境中的压力、温度、反应时间等参数,实现纳米颗粒的尺寸和形貌的调控。
例如,溅射法中,溅射能量、气体氛围、靶材组分等可以影响合成颗粒的尺寸和形貌。
3. 生物法:生物法是利用生物体内的酶、核酸或细胞等生物体部分或整体作为模板制备纳米颗粒的方法,也被称为生物制备法。
由于生物体具有自组织和自组装的特点,利用生物法可以制备出尺寸和形貌可控的纳米颗粒。
例如,利用细胞自身的酶或蛋白质,可以在体外合成纳米颗粒,并通过表面修饰或组装获得特定尺寸和形貌的纳米颗粒。
纳米颗粒的尺寸和形貌调控涉及到多个因素,包括反应条件、反应物性质、溶剂特性、溶液浓度等。
在制备工艺中,需要通过实验和模拟方法,综合考虑这些因素,并进行系统优化。
同时,由于纳米颗粒尺寸和形貌对应用性能的重要影响,需要进一步研究纳米颗粒的制备机理,深入了解不同调控方法的作用机制,从而指导实际应用中的尺寸和形貌调控。
总之,纳米颗粒的尺寸和形貌调控是纳米科技领域的关键问题之一。
通过化学合成法、物理方法和生物法等不同途径,可以实现纳米颗粒尺寸和形貌的调控。
纳米材料的形貌控制
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纳米材料的形貌控制1 概述纳米材料是指材料的三维尺寸中至少有一维处于纳米尺度(1-100 nm),或由纳米尺度结构单元构成的材料。
随着纳米材料尺寸的降低,其表面的晶体结构和电子结构发生了变化,产生了如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等宏观物质所不具有的特殊效应,从而具有传统材料所不具备的物理化学性质。
纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物质交界的过渡域,是介于微观原子或分子和宏观物质间的过渡亚稳态物质,它有着与传统固体材料显著不同的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[1],表现出奇异的光学、磁学、电学、力学和化学特性。
1.1 纳米材料的特性1.1.1 量子尺寸效应当粒子的尺寸下降到某一临界值时,其费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级,并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,使得能隙变宽的现象,称为纳米材料的量子尺寸效应。
当能级间距大于磁能、热能、静电能或超导态的凝聚能时,量子尺寸效应会导致纳米颗粒光、电、磁、热及超导电性能与宏观性能显著不同。
量子尺寸效应是未来光电子、微电子器件的基础。
1.1.2 小尺寸效应当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等外部物理量的特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米颗粒表面层附近的原子密度减小,从而导致其光、电、磁、声、热、力学等物质特性呈现出显著的变化:如熔点降低;磁有序向磁无序态,超导相向正常相的转变;光吸收显著增加,并产生吸收峰的等离子共振频移;声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。
纳米材料的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。
1.1.3 表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引起的材料性质上的变化。
随着材料尺寸的减小,比表面积和表面原子所占的原子比例将会显著增加。
例如,当颗粒的粒径为10 nm时,表面原子数为晶粒原子总数的20%,而当粒径为l nm时,表面原子百分数增大到99%。
二氧化钛纳米材料的形貌控制及其在能源和环境领域的应用共3篇

二氧化钛纳米材料的形貌控制及其在能源和环境领域的应用共3篇二氧化钛纳米材料的形貌控制及其在能源和环境领域的应用1随着全球工业化和城市化进程的不断提高,环境问题日益突出,对于环境污染的治理和清洁能源的研究已经成为当前全球面临的重大课题之一。
在这个背景下,二氧化钛纳米材料因其在催化、光催化、光电转换等领域应用广泛而备受关注。
二氧化钛纳米材料可通过不同方法制备,包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法等等。
从化学合成的角度来看,通过对溶液中的成分及沉淀条件进行控制,可以调控二氧化钛纳米材料的结构和形貌。
其中一种经典的制备方法是溶胶-凝胶法,其制备过程包括溶胶的制备、凝胶的形成和热处理等步骤。
在控制凝胶的形成过程中,可以通过改变水解与缩合反应的速率,调节水解缩合平衡的条件,达到控制二氧化钛纳米材料结构和形貌的目的。
例如,在溶胶-凝胶法制备的二氧化钛纳米材料中,当乳胶稳定剂添加量较少时,形成的二氧化钛主要为十二面体晶型,而当稳定剂添加量增加,形成的二氧化钛主要为四面体晶型。
在催化、光催化、光电转换领域的应用中,形貌控制方法的调整,从而实现二氧化钛纳米材料特定结构或形貌的合成,是非常重要的。
例如,在光催化降解废水等应用中,传统的二氧化钛纳米材料因结晶度和晶粒大小有限,其光催化效率受到限制。
而通过形貌控制方法,制备的具有较大表面积的纳米材料,表面氧含量较高,可以提高光催化反应速率,提高光催化降解废水的效率。
同时,二氧化钛纳米材料在光电转换领域也有广泛的应用。
近年来,人们研究发现,通过形貌控制方法合成的具有高秩序结构的多孔二氧化钛纳米材料,可以作为染料敏化太阳能电池(DSSCs)中的电子传输层。
在这类结构的多孔二氧化钛纳米材料中,光电荷分离效率高,具有较好的光电转换性质。
此外,通过添加掺杂元素(如铬、铁等)和半导体体系(如硫代钙钛矿)等方法,还可以研究和改善其光电性能。
总的来说,二氧化钛纳米材料的形貌控制方法,在能源和环境领域的应用非常广泛。
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纳米材料的形貌控制1 概述纳米材料是指材料的三维尺寸中至少有一维处于纳米尺度(1-100 nm),或由纳米尺度结构单元构成的材料。
随着纳米材料尺寸的降低,其表面的晶体结构和电子结构发生了变化,产生了如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等宏观物质所不具有的特殊效应,从而具有传统材料所不具备的物理化学性质。
纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物质交界的过渡域,是介于微观原子或分子和宏观物质间的过渡亚稳态物质,它有着与传统固体材料显著不同的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[1],表现出奇异的光学、磁学、电学、力学和化学特性。
1.1 纳米材料的特性1.1.1 量子尺寸效应当粒子的尺寸下降到某一临界值时,其费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级,并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,使得能隙变宽的现象,称为纳米材料的量子尺寸效应。
当能级间距大于磁能、热能、静电能或超导态的凝聚能时,量子尺寸效应会导致纳米颗粒光、电、磁、热及超导电性能与宏观性能显著不同。
量子尺寸效应是未来光电子、微电子器件的基础。
1.1.2 小尺寸效应当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等外部物理量的特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米颗粒表面层附近的原子密度减小,从而导致其光、电、磁、声、热、力学等物质特性呈现出显著的变化:如熔点降低;磁有序向磁无序态,超导相向正常相的转变;光吸收显著增加,并产生吸收峰的等离子共振频移;声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。
纳米材料的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。
1.1.3 表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引起的材料性质上的变化。
随着材料尺寸的减小,比表面积和表面原子所占的原子比例将会显著增加。
例如,当颗粒的粒径为10 nm时,表面原子数为晶粒原子总数的20%,而当粒径为l nm时,表面原子百分数增大到99%。
由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些原子易与其他原子相结合以降低表面能,故具有很高的化学活性。
这种表面原子的活性不但能引起纳米粒子表面输运和构型的变化,也会引起电子能级和电子自旋构象的变化,从而对纳米材料的电学、光学、光化学及非线性光学性质等产生重要影响。
通过利用有机材料对纳米材料表面的修饰和改性,可以得到超亲水和超疏水等性能可调的纳米材料,可以广泛的应用于民用工业。
1.1.4 宏观量子隧道效应量子物理中把微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道效应。
近年来的研究发现一些宏观量,如超微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通以及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而发生变化。
故称为宏观量子隧道效应。
对宏观量子隧道效应的研究对基础及应用研究都有着重要意义。
宏观量子隧道效应与量子尺寸效应一起都将会是未来微电子、光电子器件的基础。
此外,纳米粒子还具有其它的一些特殊性质,如库伦阻塞与量子隧穿及介电限域效应等。
1.2 纳米材料特性对材料性能的影响1.2.1 电学性能电学性能发生奇异的变化,是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的约束而呈现出量子限域效应。
纳米材料晶界上原子体积分数增大,晶界部分对电阻率的贡献增大,且界面体积过剩引起的负压强使晶格常数发生畸变,反射波的位相差发生变化,使纳米材料的电阻率相对于同类粗晶材料发生明显变化。
纳米金属材料的电阻率随晶格膨胀率的增加而呈非线性升高。
纳米二氧化硅的电阻相比于典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级;原来绝缘的氧化物到了纳米级,电阻反而下降,变成了半导体或导电体。
纳米材料的电学性能决定于其结构。
如随着碳纳米管结构参数的不同,碳纳米管可以是金属性的、半导体性的。
1.2.2 光学性能纳米材料典型的量子尺寸效应,表面效应使其出现了一系列不同于常规态的发光现象[2]。
主要表现为:(1)宽频带强吸收块状金属具有各自的特征颜色,但当其晶粒尺寸减小到纳米量级时,由于粒径(10~100 nm)小于光波的波长,将与入射光产生复杂的交互作用,所有金属便都呈黑色,且粒径越小,纳米晶粒的吸光能力越强,即颜色越深。
纳米晶粒的吸光过程还受晶粒表面的电荷分布和能级分离的量子尺寸效应的影响。
硅是一种间接带隙半导体材料,一般情况下发光效率较低,但当硅晶粒尺寸减小到5 nm及以下时,其能带结构发生了变化,带边向高能带迁移,能够观察到很强的可见发射。
4 nm以下的Ge晶粒也可发生强的可见光发射。
(2)吸收边的移动现象与常规材料相比,纳米材料的吸收光谱存在“蓝移"现象,即吸收/发射谱移向短波方向。
归纳起来对这一蓝移现象有两种解释:一种是量子尺寸效应,由于颗粒尺寸下降导致的能隙变宽使光吸收带移向短波方向。
另一种是表面效应,由于纳米颗粒大的表面张力使晶格畸变,晶格常数变小而产生蓝移。
另一些情况下,粒径减小到纳米级时,可以观察到纳米颗粒的吸收带向长波长移动,即“红移现象"。
红移现象主要是由于粒径减小的同时,颗粒内应力的增加导致的电子波函数重叠加大,能级间距变窄的原因。
1.2.3 热学性能[3]由于纳米材料界面原子密度低、原子排列比较混乱、界面原子耦合作用变弱,因此纳米材料的膨胀系数和比热值都大于同类粗晶和非晶材料。
如纳米铅的比热比多晶态铅增加25%~50%;晶粒尺寸为8nm的纳米铜的自扩散系数比普通铜大1019倍,而平均粒径为40nm的铜粒子的熔点从10530C降到7500C。
1.2.4 磁学性能[4]纳米材料的晶粒之间的铁磁相互作用对材料的宏观磁性的影响十分显著。
随着粒径的减小,粒子由多畴变为单畴颗粒,并且由稳定磁化过渡到超顺磁性,其磁化过程是由晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用所决定的。
纳米晶粒的磁各向异性与晶体结构、晶粒的形状、晶粒表面的原子以及内应力有关,表现出明显的小尺寸效应,与粗晶粒材料有着显著的区别。
1.2.5 力学性能[5]纳米晶体材料晶粒的细化及高密度界面的存在,对纳米材料的力学性能产生很大的影响。
纳米晶体材料具有高的硬度和强度,符合Hall-Petch关系式,也有反Hall-Perch关系式的,即强度与其晶粒尺寸大小不呈线性关系。
纳米材料不仅具有高的强度和硬度,而且还具有良好的塑性和韧性。
并且由于界面的高延展性而表现出超塑性。
相对于常规晶体材料,纳米材料的超塑性发生在更高的应变速率和更低的温度下。
1.2.6 光催化性能[6]光催化是指纳米材料在光的照射下通过把光能转化为化学能,使有机物降解或促进有机物合成的过程,是纳米半导体材料独特性能之一。
它的基本原理是:当以大于禁带宽度能量的光子照射半导体氧化物纳米粒子时,电子受激发从价带跃迁到导带,产生电子-空穴对,电子具有还原性,空穴具有氧化性,空穴与表面的羟基反应生成氧化活性很高的羟自由基,这些羟自由基可以降解一些有机物。
目前广泛研究的半导体光催化剂大都属于宽带隙的n型半导体,如TiO2,ZnO,CdS,PbS,WO3,SnO2,ZnS,SrTiO3,In2O3等,其中TiO2纳米粒子不仅具有高的光催化活性,且耐酸碱和光化学腐蚀,是目前最具应用潜力的一种光催化剂。
1.3 纳米材料的应用纳米微粒的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等使它们在光、电、磁等发面都呈现出常规材料不具备的特性,因此,纳米微粒在生物医学材料、催化、传感、陶瓷、磁性材料和光电子材料等方面都有着广阔的应用前景。
首先,纳米材料在医学和生物学[7]上的广泛应用被认为有可能成为人类历史上的第三次产业革命。
因纳米粒子的尺寸一般比生物体内的红血球、细胞小得多,因此可以利用纳米粒子进行细胞染色、细胞分离以及制成特殊药物剂型或新型药物抗体进行局部靶向治疗,科研人员已经成功利用SiO2纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用。
利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物也已经取得突破性进展,临床动物实验正在进行。
还可以将纳米微粒制成纳米机器人,注入人体血管之中,对人体进行全面的健康检查、诊断,并实施特殊治疗,清除心脏动脉脂肪沉积物,疏通脑血管中的血栓,甚至可能吞掉病毒,杀死癌细胞等。
其次,除了生物医学领域,纳米材料还在其他许多方面具有广阔的应用前景[8]。
如纳米粒子由于尺寸小,比表面积大,表面的键态和电子态与颗粒内部不同,表面原子配位不足等原因导致其表面活性增加。
利用纳米粒子的高比表面积和活性高的这种特性,可以显著提高反应的催化效率;纳米材料由于具有大的比表面积、高的表面活性以及与气体相互作用强等原因,其电学和光学输运性能可能随其吸附物质、所处环境的变化而变化,因此可以用作各种传感器如光、温度、湿度、气体传感等;纳米陶瓷的高矫顽力、高磁化率、低磁耗、低饱和磁矩将有望为高技术及新材料的发展,开拓材料应用的崭新领域发挥重要作用。
2 纳米材料的形貌及其影响因素纳米材料的性能依赖于其粒子的形貌和尺寸。
因此,对不同形貌纳米粒子形成机理的研究至关重要,这是在制备纳米粒子过程中有效调控晶体形貌的有效手段之一。
根据晶体生长动力学原理,纳米晶粒会沿着具有最低能量的形状方向生长,然而,研究发现纳米粒子的形成过程是高度的动力学驱动过程。
Burda等认为粒子的“成核”对形成各向异性的纳米粒子有决定性作用。
在反应的初始阶段,晶核比纳米晶粒要小的多,初始晶核的化学势与晶核的大小密切相关,并且对晶核的结构非常敏感。
因此在高反应浓度下,纳米晶核趋向于形成一维结构的粒子,这样的粒子具有亚稳定性;在低反应浓度下,纳米晶核会朝着具有最低化学势的形貌方向生长,最终将会导致零维纳米结构的形成,即球形纳米粒子,而中间浓度环境,则有助于纳米晶核的三维同性生长的纳米粒子。
Khollam等认为纳米粒子的形成遵循粒子成核和粒子生长机制,即纳米粒子的形貌不仅会受到其成核的影响,还会受到其生长因素的影响。
于文广等认为,除了成核以外,粒子的生长对粒子形貌也有较大的影响,即晶粒的生长环境对形成不同形貌的纳米粒子同样会起到至关重要的作用。
即纳米粒子的形貌不仅取决于粒子的生长动力学,还取决于粒子的热动力学,尤其是粒子的表面自由能。
纳米晶形貌尺寸有一下方面的影响因素。
2.1 表面活性剂的影响表面活性剂常被作为纳米晶的稳定剂或引导剂,用于实现对纳米晶形貌和大小的控制合成,因为它们对形成具有不同形态结构的纳米晶起到重要作用。
Puntes等[9]通过使用油酸和三正辛基膦的混合表面活性剂实现了对金属Co 纳米晶的形貌和尺寸控制合成。
Murphyt[9]等以CTAB作为表面活性剂成功地合成了具有高长径比的单晶金纳米棒,并且研究认为金纳米晶的长径比依赖于水溶液中起引导作用的表面活性剂的种类和性质。