4_二维纳米材料的制备
纳米材料的制备与应用课件
纳米材料的制备与应用课件
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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。
二维正方晶格材料
二维正方晶格材料
二维正方晶格材料是指具有正方形晶体结构的纳米材料，其特点是具
有高度有序的排列结构和规律性的晶体构造。
这种材料在科学研究、
工业生产和医学应用中都有着广泛的应用。
二维正方晶格材料的制备方法主要有化学合成和物理法两种。
化学合
成法包括溶液法、气相沉积法、水热法等，其优点是制备工艺简单，
制备出的材料具有较高的纯度和晶度。
而物理法则包括机械剥离法、
化学剥离法、磁力剥离法等，其优点是可制备出大面积单层薄膜。
二维正方晶格材料由于具有高度有序的排列结构和规律性的晶体构造，表现出了许多独特的物理和化学性质，如优异的光学、电学、热学和
力学性能等。
其中，二维正方晶格材料在电学领域中的应用十分广泛，例如在传感器、能量储存和转换设备、微电子器件、光电器件等方面
都有着广泛的应用前景。
对于二维正方晶格材料的应用，有一个非常重要的问题是如何对其进
行表征。
常见的表征方法包括X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFAM)等。
通过这些
表征方法，可以分析二维正方晶格材料的结晶性质、晶体结构、晶粒
大小和表面形貌等，这对于研究材料性质和开发新的应用具有非常重
要的作用。
总之，二维正方晶格材料具有重要的科学研究和实际应用价值。
我们需要不断研究和开发新的制备方法和表征技术，并探索其在各个领域的应用潜力。
新型二维材料的合成及其应用前景
新型二维材料的合成及其应用前景近年来，新型二维材料迅速发展，并引起了科学界的广泛关注。
这些材料具有独特的性质和多样的应用前景，被认为是下一代纳米材料的重要组成部分。
本文将探讨新型二维材料的合成技术以及其在不同领域的应用前景。
一、新型二维材料的合成技术迄今为止，已经合成了许多种新型二维材料，例如石墨烯、硫化钼、氧化钼、氮化硼等。
这些材料的合成方法可以分为以下几类：1. 机械剥离法这种方法是从体材料中剥离出单层厚度的二维材料。
最具代表性的就是石墨烯的机械剥离。
通过在石墨中使用胶带进行反复剥离，可以得到单层石墨烯。
这种方法的优点是简单易行，但存在一定的局限性。
例如，它只能用于剥离层状材料，而且不能合成规模化的产品。
2. 化学气相沉积法这种方法是将气态前体化合物在高温下分解，沉积在基底上生成二维材料。
这种方法的优点是可以合成大面积的单层二维材料，但需要使用高温、高压及其他复杂的装置。
3. 溶液法这种方法是将前体化合物溶解在溶剂中，然后通过溶剂蒸发或沉淀方法得到二维材料。
这种方法可以制备大面积的单层或多层二维材料，同时也可以通过控制溶剂中前体浓度来控制材料的厚度。
二、新型二维材料的应用前景由于其独特的结构和性质，新型二维材料在许多领域具有广泛的应用前景。
1. 电子学领域由于石墨烯具有良好的导电性和透明性，因此在电子学领域具有广泛的应用前景。
例如，在智能手机和平板电脑中，石墨烯可以用作显示屏，并能有效地提高电池寿命。
2. 能源储存领域由于二维材料微观结构特殊，因此在能源储存领域得到了广泛的应用。
例如，石墨烯和氮化碳可以用于制备电容器和电化学储能器，并显示出优异的储能性能。
3. 传感领域由于新型二维材料具有极高的表面积、高的灵敏度和选择性，因此可用于制备传感器。
例如，通过将硫化钼与氧化钼混合合成的二维材料可以用于制备气体传感器和光学传感器。
4. 生物医学领域由于新型二维材料具有较低的毒性和良好的生物相容性，因此可用于制备生物传感器、药物递送系统等。
材料科学中的二维材料研究
材料科学中的二维材料研究二维材料是指只有两个原子层的材料，通常都具有非常优异的性能，比如高强度、高导电性、高透明性等，因此在材料科学领域备受关注。
尤其在21世纪以来，随着纳米技术和材料科学的快速发展，二维材料的研究日益深入。
一、二维材料的种类目前已知的二维材料有很多种，例如：1. 石墨烯：是由碳原子组成的单层蜂窝状晶体结构，是迄今为止最著名的二维材料之一；2. 硼氮化物：是由硼和氮原子交替排列组成的类似于石墨烯的材料；3. 过渡金属二硫属化物：是由过渡金属和硫原子交替排列的材料，具有很好的光电性能；4. 纳米黄金：具有非常优异的光学和电学性能；5. 二氧化钛等一些金属氧化物也被认为具有二维材料的潜力。
二、二维材料的制备方法制备二维材料有很多种方法，常见的有以下几种：1. 机械法：将多层的材料通过机械剥离的方法，逐层分离出单个原子层；2. 化学气相沉积法：是通过将化学气体在高温下进行反应，使得所期望的材料沉积在基板上的方法；3. 液相剥离法：使用化学剂将材料表层溶解掉，逐层分离出原子层；4. 溶剂渗透法：在二维材料的表面溶剂附着，通过溶剂渗透等方法来进行制备。
以上方法都有其优点和缺点，需要根据具体的材料和研究需要选择适合的方法。
三、二维材料的应用前景由于二维材料具有独特的结构和性能，其应用前景非常广泛。
以下是二维材料在各领域的应用前景：1. 电子学领域：二维材料具有优异的导电性能，是制造电子器件的理想材料。
例如石墨烯已经被证明可以制造出非常小的晶体管和集成电路件；2. 光电能源领域：二维材料在光电能源的利用中也有很大的潜力，例如可以用于制造高效的太阳能电池和薄膜太阳能电池等；3. 生物医学领域：二维材料的生物应用潜力也非常广泛，例如可以用于制造高灵敏度和高特异性的生物传感器和药物载体等。
可以看出，在各领域应用中，二维材料都具有很好的潜力。
目前，二维材料研究热度不减，有着非常明显的科研趋势。
可以相信，在未来的科技领域中，二维材料会有着越来越广泛的应用前景。
二维材料的合成与表征
二维材料的合成与表征近年来，二维材料因其出色的性能和广泛的应用前景而备受关注。
在这个领域，二维材料的合成与表征是不可或缺的一环。
本文将探讨二维材料的合成方法以及对其进行表征的技术与方法。
一、二维材料的合成方法1. 机械剥离法：这是最早用于二维材料合成的方法之一，通过将层状晶体分离成单层或多层，然后在基底上重新组装，形成二维结构。
这种方法简单易行，但只适用于某些材料，如石墨烯。
2. 化学气相沉积法：化学气相沉积法是一种通过气相反应在基底上生长二维材料的方法。
常见的化学气相沉积法包括热解法和化学气相沉积法。
这种方法可以在大规模上合成二维材料，并具有较好的可控性。
3. 液相剥离法：这种方法通过在溶液中浸泡层状材料，然后将其分离成单层。
通过调控溶液的成分和条件，可以合成出不同性质的二维材料。
这种方法通常适用于类似石墨烯的材料。
二、二维材料的表征技术与方法1. 原子力显微镜（AFM）：原子力显微镜是一种可以观察到纳米级表面形貌和结构的技术。
它通过检测扫描探针与样品之间的相互作用力，获得样品的表面形貌信息，并可进一步研究材料的力学、电学等性质。
2. 透射电子显微镜（TEM）：透射电子显微镜是一种通过透射电子束对材料进行成像和分析的技术。
它可以观察到纳米级的材料结构，并能提供有关晶体结构、晶格常数等详细信息。
3. X射线衍射（XRD）：X射线衍射是一种通过照射材料并测量衍射图样来获得材料结构信息的技术。
通过分析X射线衍射图样，可以确定材料的晶体结构、晶格参数等。
4. 拉曼光谱：拉曼光谱是一种通过观察材料散射光的频率变化来获得材料的结构和振动信息的技术。
通过拉曼光谱可以了解二维材料的化学成分、晶格缺陷等。
5. 光电子能谱（XPS/UPS）：光电子能谱是一种通过激发材料表面的电子并测量其能量分布来分析材料的表面电子结构的技术。
光电子能谱可以提供材料的化学组成、表面态密度等信息。
6. 核磁共振（NMR）：核磁共振是一种通过激发材料中核自旋并检测其信号来研究材料结构和性质的技术。
二维材料的制备及性能表现
二维材料的制备及性能表现二维材料是指厚度仅有一至数个原子厚度的材料，它们具有独特的电子、光学、力学和化学性质，因此被广泛研究并用于电子学、光电子学、生物医药等领域。
本文将从制备和性能两个方面分别介绍二维材料的相关内容。
一、制备制备二维材料的方法主要包括机械剥离、气相沉积、溶液法、化学气相沉积和物理气相沉积等。
机械剥离是一种最古老也最常用的制备方法，它采用粘贴纸、胶带等工具，直接剥离二维材料单层。
其优点在于制备过程简便，样品表面质量较好。
缺点是只能得到小尺寸样品，并且剩余材料难以处理和利用。
气相沉积是一种在高真空下，将二维材料原料转化为薄膜形式的制备方法。
其中热化学气相沉积（CVD）是一种常见的方法。
在CVD中，二维材料原料被气相输送到基底表面，经过化学反应形成膜。
这种方法能够制备较大的单晶薄膜，但需要高昂的设备和复杂的操作条件。
溶液法通常使用稳定的二维材料单层悬浊液，在水或有机溶剂中将其转移到目标衬底上。
这种方法的优点在于能制备大面积和薄膜缺陷密度较低的样品，制备过程简单。
但缺点在于材料的稳定性和单层厚度控制较为困难。
化学气相沉积（ALD）是在特定的气氛下，将二维材料原料转化为膜状薄膜的一种方法。
它的优点在于能控制薄膜的厚度、化学组成和结构，还能够在复杂衬底上制备。
但制备时间较长，设备要求高，成本较高。
物理气相沉积（PVD）是在真空下，直接通过热蒸发、激光剥离等方法将二维材料单层转移至衬底上的一种方法。
它能够制备高纯度、高质量的样品，且具有较好的可扩展性。
但需要较高的真空度和温度值。
二、性能表现二维材料具有独特的性质，主要表现在以下几个方面：1. 电子性质。
由于其在垂直方向只有一个原子厚度，二维材料中的电子在平面方向上运动时，无法扩散到垂直方向，因此具有较强的限制性，表现出较好的载流子迁移率和电子运动性能。
2. 光学性质。
二维材料中电子运动、输运和相互作用均受到几何约束，导致它们的光学性质与体材料不同。
二维纳米片结构
二维纳米片结构摘要：1.二维纳米片结构的定义和特点2.二维纳米片结构的应用领域3.二维纳米片结构的制备方法4.二维纳米片结构的发展前景和挑战正文：二维纳米片结构是指厚度在纳米尺度(1-100nm) 的平面薄片，其宽度可以超过几百纳米甚至微米级别。
由于其独特的物理和化学性质，二维纳米片结构在许多领域都有广泛的应用，如材料科学、电子学、光学和能源等。
在材料科学领域，二维纳米片结构可以作为模板或催化剂，用于制备其他纳米材料。
例如，二维纳米片可以用于制备石墨烯、碳纳米管和氧化物纳米线等。
此外，二维纳米片结构也可以作为吸附剂、传感器和分离膜等材料应用。
在电子学领域，二维纳米片结构可以作为场效应晶体管的导电通道，具有比传统半导体材料更高的载流子迁移率和更低的功耗。
此外，二维纳米片结构还可以用于制备透明导电薄膜，用于显示器和太阳能电池等领域。
在光学领域，二维纳米片结构可以作为光吸收剂和发光器件。
例如，石墨烯可以作为透明电极和光电器件，而过渡金属硫属化合物则可以作为发光二极管和激光器。
在能源领域，二维纳米片结构可以作为超级电容器和锂离子电池的电极材料。
例如，石墨烯可以作为超级电容器的电极材料，而硅纳米线可以作为锂离子电池的负极材料。
制备二维纳米片结构的方法有很多种，包括机械剥离、化学剥离、电化学剥离和湿化学法制备等。
其中，机械剥离是最常用的方法之一，但其产量和质量都受到限制。
因此，研究人员正在探索新的制备方法，以提高二维纳米片结构的产量和质量。
尽管二维纳米片结构在许多领域都有广泛的应用，但它们的应用也面临一些挑战，如稳定性、可扩展性和制造过程的复杂性等。
二维纳米mxene膜材料的合成与应用__概述及解释说明
二维纳米mxene膜材料的合成与应用概述及解释说明引言部分的内容主要是对文章进行概述，介绍文章的结构和目的。
具体内容如下：1.1 概述:二维纳米mxene膜材料作为一种新兴的材料，在科学研究和工程应用中引起了广泛关注。
该材料具有特殊的二维结构和优异的性能，使其在多个领域具有广阔的应用前景。
本文将对二维纳米mxene膜材料的合成方法、特性分析以及其在能源领域和环境治理中的应用进行全面探讨。
1.2 文章结构:本文共分为五个部分：引言、二维纳米mxene膜材料的合成与应用、二维纳米mxene膜材料在能源领域的应用、二维纳米mxene膜材料在环境治理中的应用以及结论与展望。
首先，我们将介绍本文的概述，然后详细讨论二维纳米mxene膜材料的合成方法及其工艺参数，并对其特性进行深入分析。
接着，我们将重点关注该材料在能源领域（包括锂离子电池、超级电容器和光催化剂等）的应用，以及在环境治理（如污水处理、空气过滤和水资源利用等）方面的潜在应用。
最后，我们将对本文所做研究的主要结果进行总结，展望二维纳米mxene 膜材料未来的发展趋势，并提出研究中存在的不足之处及改进方向。
1.3 目的:本文旨在系统概述二维纳米mxene膜材料的合成方法、特性分析以及其在能源领域和环境治理中的应用。
通过全面介绍该材料的相关研究成果，旨在加深读者对该材料的认识和理解，并为未来进一步开展相关研究提供参考和启示。
此外，通过对研究中存在问题以及改进方向的探讨，也希望能够推动该领域更加深入地发展。
2. 二维纳米mxene膜材料的合成与应用2.1 二维纳米mxene膜材料的概念介绍二维纳米mxene膜材料是一种新型的二维材料，由金属碳化物或氮化物通过化学剥离法制得。
它具有高表面积、可控的厚度和丰富的表面官能团，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
2.2 合成方法及工艺参数合成二维纳米mxene膜的常用方法是通过对含有原始层状结构金属碳化物或氮化物进行酸性溶液处理来实现。
二维材料MXene的制备方法、性能与应用探究
二维材料MXene的制备方法、性能与应用探究
侯淑萍;韩艺婷;莫美新;葛杨美程;李辉;贺小川
【期刊名称】《纳米技术》
【年(卷),期】2024(14)2
【摘要】MXene是一种新型的二维层状纳米材料,具有独特的多层结构,出色的导电性,力学性和表面功能化能力,使其在广泛的应用中具有高度普适性。
本文综述了MXene的“自下而上”和“自上而下”制备方法,对比了各种方法的优缺点。
分析了MXene材料的特性及对应的应用场景,对MXene在化学、生物和多功能等传感器中研究进行了总结。
【总页数】14页(P23-36)
【作者】侯淑萍;韩艺婷;莫美新;葛杨美程;李辉;贺小川
【作者单位】天津商业大学信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】G63
【相关文献】
1.二维材料MXene的储能性能与应用
2.新型二维层状材料MXene的制备方法研究
3.二维层状纳米材料MXenes的制备方法及其在光催化领域中的应用
4.二维层状纳米材料MXenes的制备方法及其在光催化领域中的应用
5.二维材料MXene(Ti_(3)C_(2)T_(x))的制备、性能及其在纺织领域中的应用
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
二维材料-
二维材料在催化中应用
在过去的10年中，二维材料在催化方面的研究得到迅猛发展，在 传统多相催化、电催化、光催化等催化体系中得到广泛应用，尤 其在一些涉及能源催化转化的重要反应（如氧活化、水分解、二 氧化碳还原等）中表现出了独特的催化特性。
二维材料， 何时飞入寻常百姓家
————应用前景
物理学家们迅速开 始利用这些性质尝 试开发各种各样的 应用，从可弯曲屏 幕到能量存储。
2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布， 将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家 安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫，以表彰他们在 石墨烯材料方面的卓越研究。
石墨烯材料的诞生获得 2010年诺贝尔物理学奖
海姆和诺沃肖洛夫认为，石墨烯晶体管已展示出优点和 良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得 起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几 十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距获奖才六年时间， 就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。 他说：“今天早上听说这个消息时，我非常惊喜，第一 个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示， “我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。
石墨烯
2004年在英国曼彻斯特大学的实验室，物理 学家安德烈· 海姆（Andre Geim）和康斯坦 丁· 诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）第一次 从石墨中分离出了石墨烯。这种单原子层厚 度的碳薄片柔韧、透明，比钢铁强度高、比 铜导电性好，如此之薄以至于称它为“二维 材料”可谓实至名归。
纳 米 粒 子 合 成 方 法 分 类
量产
纳 米 粒 子 制 备 方 法
气相分解法 化学气相反应法 气相合成法 气－固反应法 气体冷凝法 气相法 氢电弧等离子体法 溅射法 物理气相法 真空沉积法 加热蒸发法 混合等离子体法 共沉淀法 沉淀法 化合物沉淀法 水热法 水解沉淀法 液相法 溶胶－凝胶法 冷冻干燥法 喷雾法
材料科学的新兴范式二维材料的制备和性能优化
材料科学的新兴范式二维材料的制备和性能优化1. 引言材料科学作为一门与人类社会发展息息相关的学科，一直以来都在不断探索各种新兴材料的制备和性能优化方法。
随着科技的进步，二维材料的制备和性能优化成为了材料科学领域的热点之一。
本文将围绕二维材料的制备方法和性能优化策略展开讨论。
2. 二维材料的制备方法二维材料最早由英国物理学家安德鲁·盖曼在2004年成功提出，其标志性的代表是石墨烯。
而后，越来越多的二维材料被发现，如硼氮石墨烯、过渡金属二硫化物等。
目前，常用的二维材料制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和溶剂剥离法。
机械剥离法主要是将厚度较大的材料层剥离成较薄的层，常用的机械剥离法有胶带剥离法和磨砂纸剥离法。
这种方法简单易行，但只适用于那些层状结构明显的材料。
化学气相沉积法是一种通过将气态前体物质导入反应室中，在高温条件下在基底上沉积薄膜的方法。
化学气相沉积法制备的二维材料具有较高的生长速率和较大的尺寸可控性。
但是，其缺点是需要高成本的专用设备和复杂的操作流程。
溶剂剥离法是利用溶剂中的溶质将二维材料局部溶解进而剥离出来的方法。
这种方法操作简单，适用范围广，且可以得到尺寸较大的二维材料。
但是，它容易产生溶剂残留和环境污染的问题。
3. 二维材料的性能优化策略二维材料的性能优化是能够提高其应用价值的关键。
在二维材料的性能优化中，主要包括物理性能调控和结构优化两个方面。
物理性能调控是通过改变二维材料的结构、形貌和成分等，来调控材料的优良性能。
例如，通过微观结构调控来改善二维材料的力学、光学和电学性能。
此外，通过控制磁场、温度和应力等外界条件，也可以在一定程度上调控二维材料的性能。
结构优化是通过改变二维材料的晶格结构、晶面朝向以及外部的应力作用，来优化材料的性能。
例如，通过控制材料的晶格结构，可以调控其电子结构和能带特性，进而改变材料的导电性和光吸收性能。
此外，通过在二维材料中引入缺陷和异质结构，还能够有效地改善材料的电子运输特性。
一种二维材料FeGeTe纳米片的制备方法[发明专利]
![一种二维材料FeGeTe纳米片的制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c6bff041f524ccbff021848a.png)
专利名称：一种二维材料FeGeT e纳米片的制备方法 专利类型：发明专利 发明人：黄毅,马素萍,李广浩,李卓 申请号：CN202110035291.8 申请日：20210112 公开号：CN112591718A 公开日：202104 02
摘要：本发明涉及一种二维材料FeGeT e纳米片的制备方法。包括以下步骤：1）FeGeT e晶体于 液相介质中研磨；2）将研磨混合物转移到一定量同种液相介质中加热搅拌；3）将搅拌混合物进行超 声处理；4 ）离心分级，得到FeGeT e二维纳米片分散液；5）冻干得到FeGeT e二维纳米片粉末。本 发明方法具有以下优点：1）工艺简单，制备周期短；2）可实现宏量制备；3）可制备得到厚度可控 的FeGeT e纳米片，主要集中在单层、少层和多层范围；4 ）可制备得到尺寸可控的FeGeT e纳米片， 尺寸为纳米至微米级；5）制备得到的FeGeT e纳米片缺陷少，晶体结构保留完整。该方法简便可行， 可以极大地推动FeGeT e材料的研究及应用。
申请人：南开大学 地址：300171 天津市南开区卫津路94号 国籍：CN 代理机构：天津市杰盈专利代理有限公司 代理人：赵尊生 更多信息请下载全文后查看
二维材料 ppt课件
方 法 分
制 备
液相法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法 喷雾法
方 法
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎
类
热分解法
固相法 固相反应法
其它方法
PPT课件 21
PPT课件 22
锡烯，
超高导电效率
石墨烯。
单原子层厚
度的碳薄片柔韧、透明，比钢铁强度高、
比铜导电性好
过渡金属二硫族化合物（TMDC）
与石墨烯相当的透明度和柔性
二维超导材料上观察到 磁激发态（二硒化铌晶体）
世界上最黑的材料，可 以用喷枪进行喷涂，这种 名叫Vantablack S-VIS 的材料能够吸收99.8%的 光线
PPT课件 15
北京大学深圳 研究生院新材料 学院潘锋教授团 队在对新型二维
材料
Fe3(PO4)2•8H2O
的研究中（Nano Energy，2015，18，
PPT课件 4
PPT课件 5
石墨烯在发现前被认为是不 可能存在的
从统计物理出发可以证明 Mermin-Wagner 定理，这个定理讲的 是：任何具有连续对称性的二维热力学系统，在非零温下，其 连续对称性不可能发生自发破缺。
依据 Mermin-Wagner 定理，在非零温度下，这个情况是不可能 发生的。一个大致的物理解释是，在小于等于二维时，若出现 有序（即连续对称性破缺），Goldstone 玻色子的总能量会发散， 以至于破坏有序
PPT课件 18
二维材料在催化中应用
在过去的10年中，二维材料在催化方面的研究得到迅猛发展，在 传统多相催化、电催化、光催化等催化体系中得到广泛应用，尤 其在一些涉及能源催化转化的重要反应（如氧活化、水分解、二 氧化碳还原等）中表现出了独特的催化特性。
二维催化材料的制备及应用(张未浩)-1520190168
二维催化材料的制备及应用学院：化学与化工学院专业班级：研化工15学号： 1520190168姓名：张未浩二维催化材料的制备与应用（一）二维碳材料与纳米粒子的复合及应用I：随着纳米科学技术的发展，人们关注的热点己转向如何利用纳米材料奇特的物理和化学特性，设计新型的纳米复合材料，并探索其新的应用领域。
二维碳材料与纳米粒子复合材料综合了物质本征效应、纳米尺度效应、协同效应所产生的新功能等特点，从而成为纳米材料研究领域的热点之一。
二维碳材料如石墨烯和石墨化的碳膜，既具有纳米结构单元的特性，如小尺寸效应和大比表面积效应等纳米效应，也具有本体材料如石墨烯或石墨化碳导电性好的特点。
此外，二维结构在复合纳米粒子的过程中产生的协同作用，使其在实际应用中表现出优异的性能：如用作锂离子电极材料时，二维纳米复合材料具有良好导电性，并且可提高电极材料与电解质相界面的扩散性；当用作传感器材料时，由于二维碳材料的支撑固定作用，纳米粒子在高温的工作条件下不易发生熟化长大，同时二维材料大的比表面积利于提高气体的扩散和相界面反应；作为电催化剂，具有较好的纳米粒子分散性的同时，具有较高的电子迁移率。
另外，二维碳材料与纳米粒子的复合方式对复合材料的性质和应用也具有较大的影响。
其主要制备方法如下：（1）原位水解法原位水解法是采用加热、等离子体、紫外光乃至激光等手段，利用活性金属前驱体在水溶液中水解，生成纳米金属粒子，并原位沉积在二维碳材料表面的方法。
该方法以其操作简单、负载纳米粒子分散均匀等优点受到人们的青睐。
Tu等在乙二胺和水的混合溶液中，采用原位水解法制备了TiO2/graphene 复合纳米片，合成过程主要包括：（1）乙二胺还原氧化石墨烯为石墨烯；（2）Ti 前驱体水解制备TiO2纳米粒子；（3）生成的TiO2纳米粒子通过化学键（Ti-O-C 键）吸附在石墨烯片上。
负载的TiO2可有效防止石墨烯片之间的堆积。
与传统方法制备的TiO2和石墨烯复合材料相比，这种材料的表面具有丰富的三价钛，而这种三价钛可有效防止光生电荷的复合。
湿化学合成二维材料
湿化学合成二维材料
湿化学合成法是一种在液体环境中制备二维材料的方法，这种方法可以在原子尺度上控制材料的制备，从而获得具有特定尺寸和形貌结构的纳米材料。
湿化学合成法通常包括以下步骤：
1. 准备前驱体溶液：将所需的原料溶解在适当的溶剂中，形成前驱体溶液。
2. 合成反应：在前驱体溶液中加入适当的催化剂或引发剂，通过控制反应条件（如温度、压力、浓度等），使原料发生化学反应，形成目标二维材料。
3. 分离和纯化：通过离心、过滤、洗涤等手段将合成的二维材料从溶剂中分离出来，并进行必要的纯化处理。
4. 干燥和表征：将得到的二维材料进行干燥处理，并通过各种表征手段对其结构和性能进行检测和评估。
湿化学合成法的优点在于可以精确控制合成条件，实现材料的原子级精度控制，同时可以得到大面积、高质量的二维材料。
此外，通过选择不同的前驱体和反应条件，可以制备出具有不同性质和功能的二维材料，满足不同领域的应用需求。
目前，湿化学合成法已经广泛应用于过渡金属二卤化物（TMD）、石墨烯等二维材料的制备中。
然而，湿化学合成法也存在一些挑战和限制，例如对于某些特定的二维材料，难以找到合适的前驱体和反应条件，同时合成过程中可能存在一些难以控制的副反应和杂质。
因此，需要进一步优化和完善湿化学合成法，提高制备效率和材料的纯度及质量。
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系统的总自由能变化 G 4 r 3G 4r 2 3
G
kT ln1 S
将上式r求微分，求出使得自由能变化取得极值的条件为： 临界形核半径 对应的形成临界核心时系统的自由能变化：
能垒
讨论：
•热激活过程提供的能量起伏将使某些原子团具备了大小的自由能涨落，从而导致了新相核心的形成。 •当 r < r*时，在热涨落过程中形成的这个新相核心将处于不稳定状态，并倾向于再次消失； •当 r > r*时，新相核心将处于可以继续稳定生长的状态，并且生长过程将使得自由能下 降；
保护电极寿命
Ag 膜
透明导电膜
集成电路中的场效应晶体管 (MOSFET)
Polycrystalline silicon
栅氧化层 (gate oxide): CVD 铜导线 ：sputter or evaporation
纳米薄膜材料的介绍
4 薄 膜 的 制 备 方 法
最主要的两类方法
.
薄膜生长的基本原理
2、薄膜生长阶段 一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达 到饱和。小岛像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又形成了新的岛。形成与合 并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐被后沉积的 原子所填充，最后形成薄膜。
薄膜生长的基本原理
形核与生长的物理过程
与其他有核相变一样，薄膜的生
长过程也可被分为两个不同的阶
段，即新相的形核与薄膜的生长 阶段。
薄膜生长的基本原理
1、新相成核阶段
形核与生长的物理过程
在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底上，从而开始了所谓的形 核阶段。由于热涨落的作用， 原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且可 以运动的原子团（岛或核）。 当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长大；而当它大于临界成核尺寸时， 就可能接受新的原子而逐渐长大。 核形成与生长的物理过程可用下图说明，从图中可看出核的形成与生长有四个步骤：(1) 原子吸附；(2)表面扩散迁移；(3)原子凝结形成临界核；(4)稳定核捕获其他原子生长
纳米薄膜的制备
薄膜的生长原理
概要
• 纳米薄膜材料的介绍
• 薄膜生长的基本原理
1. 2. 3. 4. 5. 薄膜生长的基本模式（岛状，层状，复合） 岛状生长的物理过程（形核-长大） 形核机理 （自发 vs. 非自发） 形核的影响因素（衬底温度，沉积速度） 连续薄膜的形成
纳米薄膜材料的介绍
1. 薄膜材料的概念 采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材 料)的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底
薄膜生长的基本原理
2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
生长模式
特点： 沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、 第三层……。
当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此， 薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生长将一直 保持这种层状生长模式。
薄膜生长的基本原理
导致层状-岛状模式转变的物理机制
被列举出来解释这一生长模式的原因至少有以下三种：
生长模式
1）虽然开始生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，因而随着
沉积原子层的增加，应变能逐渐增加。为了松弛应变能，薄膜在生长到一定的厚度之后，生 长模式转化为岛状模式。
2）在Si的（111）晶面上外延生长GaAs时，由于第一层拥有五个价电子的As原子不仅将使Si
薄膜生长的基本原理
Ag在NaCl晶体表面生长过程
生长模式
在 Ag 原子到达衬底表面的最初阶段， Ag 在衬底上先是形成了一些均匀、细小而且可以运动的原子团－ “岛”。这些像液珠一样的小岛不断地接受新的沉积原子，并与其他的小岛合并而逐渐长大，而岛的数目 则很快地达到饱和。在小岛合并过程进行的同时，空出来的衬底表面上又会形成新的小岛。这一小岛形成 与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，最后只留下一些孤立的孔洞和沟道，后者不 断被后沉积来的原子所填充。在空洞被填充的同时，形成了结构上连续的薄膜。 小岛合并的过程一般要进行到薄膜 厚度达到数十纳米的时候才结束。
特点： • 生长机制介于核生长型和层生长型的中间状态。 • 在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生 长模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根本的原因应 该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。 发生的具体情形：
• • 当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下（准共格）； 在半导体表面形成金属膜时常呈现这种方式的生长。例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面 上沉积Bi、Ag等都属于这种类型。
(3)原子凝结形成临界核
吸附原子在表面上扩散迁移，互相碰撞结合成原子团，并凝结在表面上。原子团中的原 子数达到某一个临界值，成为临界核；临界核进一步与其他吸附原子碰撞结合，向着长大方 向发展形成稳定核。 (4)稳定核捕获其他原子而获得生长 稳定核再捕获其他吸附原子，或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成为小岛。 （5）岛生长、合并，形成连续的膜
kT pV ln p kT G ln1 S G
-Ω原子体积； - p 气相蒸汽压； - pV 饱和蒸汽压； - S = (p-pV)/pV 气相的过饱和度。
p > pV, S > 0, ΔGν < 0
薄膜生长的基本原理
自发形核的热力学理论
Ag在NaCl晶体表面生长过程
薄膜生长过程
透射电子显微镜与电子衍射原位观察
薄膜生长的基本原理
实验观察到的三种薄膜生长模式：
（1）岛状生长模式：被沉积物质的原子或分子倾
向与自身相互键合起来，而避免与衬底原子键合； 从而形成许多岛，再由岛合并成薄膜。
生长模式
（2）层状生长模式：被沉积物质的原子倾向于与
在上述各种机制中，开始的时候层状生长的自由能较低，但其 后，岛状生长的自由能变低了，岛状生长反而变得更有利了。
薄膜生长的基本原理
体系的相变方式：
相变按方式分类： （1）有核相变：有形核阶段。新相核心可均匀形成， 也可择优形成。大多数相变属于此类。 （2）无核相变：无形核阶段。以成分起伏作为开端， 新旧相间无明显界面，如调幅分解。
衬底原子成键结合。因此，薄膜从形核阶段开始即 采取二维扩展模式，薄膜沿衬底表面铺开。在随后 的沉积过程中，一直维持这种层状生长模式。 （3）混合生长模式：在最开始一两个原子层厚度 时采用层状生长，之后转化为岛状生长。
薄膜生长的基本原理
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 ：
生长模式
特点：
发生的具体情形：
衬底晶格和沉积膜晶格相匹配（共格）时; 衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积原子相互之间键能时； 以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜，并且和衬底有确定的取向关系。例如在Au衬底 上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。
薄膜生长的基本原理
生长模式
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式。
薄膜生长的基本原理
1. 自发成核：整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的；
形核的机理
在薄膜沉积过程的最初阶段，都需要有新相的核心形成。新相的成核过程可以被分为两种类型：
2. 非自发成核：除了有相变自由能作推动力之外，还有其他的因素起到了帮助新相核心生成的作 用。
薄膜与衬底之间浸润性 差，薄膜的形核过程可 以近似为自发形核
晶体表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合，这有 效的降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变为三维的岛状生长。 3）层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改 变为低能晶面。因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式向岛状模式转变。
(1)原子吸附
形核与生长的物理过程
射向基板及薄膜表面的原子入射到基体表面上，其中一部分因能量较大而弹性反射回去 ，另一部分吸附在表面上。在吸附的原子中有一小部分因能量稍大而再蒸发出去。
(2)表面扩散迁移
停留于表面的原子，在自身所带能量及基板温度所对应的能量作用下，发生表面扩散 (surface diffusion)及表面迁移(surface migration)。一部分再蒸发，脱离表面。
到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，形 成许多岛，再由岛合并成薄膜，造成表面粗糙。 被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底原子键合（被 沉积物质与衬底之间的浸润性较差）。
大部分的薄膜的形成过程属于岛状生长模式 • 衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配（非共格）时; • 金属在非金属衬底上生长; • 沉积温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力。
薄膜自发形核示意图
薄膜非自发形核示意图
薄膜生长的基本原理
从过饱和气相中合成球形核
自发形核的热力学理论
伴随着新相生成 表面能的变化
能垒
总自由能的变化
4 G r 3G 4r 2 3
体自由能的变化
4 GV r 3G 3
形核的热力学驱动力： 单位体积的相变自由能之差 ΔGν < 0
预定课程安排
讲座序 号
1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 时间 Sept 11, 4:25pm Sept 12, 2:30pm Sept 18, 4:25pm Sept 25, 4:25pm Sept 26, 2:30pm Sept 29, 4:25pm Oct 9, 4:25pm Oct 10, 2:30pm Oct 12, 2:30pm Oct 16, 4:25pm Oct 17, 2:30pm Oct 23, 4:25pm Oct 24, 2:30pm Oct 30, 4:25pm Nov 6, 4:25pm 内容 课程介绍，纳米材料概述 专题１：碳纳米管; 专题２:自然界中的纳米材料 固体表面的物理化学 纳米薄膜的制备 （原理） 纳米薄膜的制备（蒸发，溅射，外延等具体方法） 一维纳米材料的制备 （原理，设备） 一维纳米材料的制备 （具体方法） 纳米颗粒的制备 （原理） 纳米颗粒的制备 （气相法） 纳米颗粒的制备 （液相法） 纳米颗粒的制备 （液相法） 纳米颗粒的制备 （液相法） 三维纳米材料与特殊纳米材料的制备（多孔，复合，核壳结构，等等） 刻蚀法制备纳米结构（自上而下） 纳米材料与结构的表征 补10月3号的课 补10月2号的课 备注