第5章-一维纳米材料
一维纳米材料的优点
一维纳米材料的优点一维纳米材料因其独特的结构和性质，在许多领域都有着广泛的应用。
以下是一维纳米材料的优点概述：1.纳米尺寸效应：一维纳米材料具有极小的尺寸效应，这使得它们表现出与常规材料不同的物理和化学性质。
例如，一维纳米材料具有极高的表面积和体积比，可以用于高效能量存储和释放，光吸收和发射等方面。
2.高导电性：某些一维纳米材料具有高导电性，如碳纳米管和金属纳米线。
这些材料在电子学和电器制造中具有潜在的应用价值，可以制造出更小、更高效的电子设备。
3.机械强度和韧性：一维纳米材料具有出色的机械强度和韧性，例如碳纳米管和金属纳米线，这些材料的强度和韧性远远超过常规材料。
因此，一维纳米材料在制造高强度、轻质、抗疲劳和耐磨的产品方面具有广泛应用前景。
4.生物相容性和生物活性：一些一维纳米材料具有良好的生物相容性和生物活性，例如生物相容性金属、氧化物和碳纳米管等。
这些材料在生物医学领域中具有广泛的应用，如药物输送、组织工程和生物成像等。
5.易于功能化和定制：一维纳米材料可以容易地通过化学或物理方法进行功能化和定制。
例如，可以通过表面修饰或掺杂来改变纳米材料的表面性质，以达到特定的应用需求。
此外，一维纳米材料还可以通过组装和构造复杂的纳米结构来定制功能，实现特定的物理和化学性质。
6.可持续性和环保：一些一维纳米材料具有可持续性和环保特性。
例如，某些纳米材料可由可持续性原料制备，使用后可生物降解或环境友好地处理。
这种特性使得一维纳米材料对环境友好型产品的开发和可持续发展的推进具有重要意义。
7.电磁屏蔽性能：一维纳米材料具有优异的电磁屏蔽性能，可有效屏蔽电磁波干扰(EMI)和射频干扰(RFI)。
将一维纳米材料添加到复合材料中可有效提高其电磁屏蔽性能，保障电子设备和人身安全。
8.热导性和热管理：一维纳米材料具有高热导性，如碳纳米管和金属纳米线等。
利用这一特性，可将一维纳米材料添加到复合材料中提高其热导性和热稳定性，从而实现对热的有效管理和散热。
一维纳米材料的制备与应用
一维纳米材料的制备与应用纳米材料是指尺寸在1到100纳米之间的物质，它具有许多优异的物理、化学和生物学特性，因此已成为材料科学、能源、生物技术、医学、环境保护等领域的研究热点。
其中，一维纳米材料尤为重要，因为其具有独特的电子、光学和力学性能，可以应用于电子器件、光电器件、催化剂、储能材料、生物传感器等领域。
一维纳米材料的制备方法包括物理法、化学法和生物法等。
物理法主要是通过物理手段对大分子材料、金属材料、半导体材料等进行削减、拉伸、蒸发、溅射等处理，形成纳米尺寸的单一立体结构。
例如，使用电弧放电法、溅射法、立体雾化法等可制备出金属纳米管、碳纳米管、金属氧化物纳米线等一维纳米材料。
化学法主要是通过化学反应合成一维纳米材料，具体反应条件和形成机制有很大的差异。
例如，溶胶-凝胶法可以实现制备稳定的纳米材料分散液，高温固态反应可制备出金属硫化物、硬质合金等一维纳米材料。
近年来，还出现了一些特殊的“引导物”或“模板”化学合成方法，通过引导剂的作用，形成特定形态、粒径的一维纳米材料。
生物法主要是通过使用生物体复制或控制纳米材料的生长、组装、大小和形状。
这种方法既环保又成本低廉，可以制备出高质量、低成本、具有生物相容性和可生物降解性的一维纳米材料。
例如，DNA、蛋白质、细胞等都可以作为纳米结构的模板，利用生物分子的特殊识别、自组装、生物信号转导等生物功能，在其表面或内部包裹和控制所需的纳米材料。
无论采用以上哪种合成方法，在制备一维纳米材料时，最关键的是要控制好纳米尺度的大小和形态，同时要尽可能避免一维纳米材料的外表面缺陷、内部结构杂质和纳米尺度效应的影响。
一维纳米材料的应用十分广泛，从电子器件到生物传感器，在很多领域中都有应用。
例如，纳米线、纳米管、纳米带等一维纳米材料可以作为高效率能源存储器件或传感器件的核心材料；金属、金属氧化物、碳纳米管等一维材料可以作为高效的催化剂，提高化学反应的速率和选择性；生物纳米线、蛋白质纳米线等一维生物材料则可以用于生物分子传感和制备高灵敏度的生物传感器。
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
第五章一维纳米纳米结构单元全
Kroto 研究小组获得的碳原子团簇的质谱图
C60
C70
C60具有什么样的结构呢？ 金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子，C60和C70是有固定碳原子数的有限分子，它们应该具有不同的结构。 克罗托想起美国建筑师巴克明斯特·富勒BuckminsterFuller为1967年蒙特利尔世博会设计的网络球主体建筑，由五边形和六边形构成的圆穹屋顶。 富勒曾对克罗托等人启发说：“C60分子可能是球形多面体结构”。
CNT - Fabrication - how to
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Single-wall nanotubes are produced in a gas-phase process by catalytic disproportionation of CO on iron particles. Iron is in the form of iron pentacarbonyl. Adding 25% hydrogen increases the SWNT yield. The synthesis is performed at 1100 C at atmospheric pressure.
A laser is aimed at a block of graphite, vaporizing the graphite. Contact with a cooled cooper collector causes the carbon atoms to be deposited in the form of nanotubes. The nanotube "felt" can then be harvested
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.
VLS法制备一维纳米材料
四 常用的催化剂与可制备的材料
Au：Si、Ge元素纳米线，ZnO、氧化镓等氧化物纳米线， CdS、ZnS纳米线 Fe：Si 、Ge元素纳米线，SiC 纳米线、 GaN纳米线 Ni: Si纳米线、GaN纳米线
精品课件
五 制备中的两个重要问题 A 如何得到纳米级的催化剂团簇？ B 如何提供出所需的蒸气？
2. 膜自组织 蒸镀Au薄膜在GaAs基体上，可形成大量的
纳米级的Au-As合金液滴 制备Zn0纳米线时，将Au薄膜蒸镀在蓝宝
石衬底上，形成纳米级的Au-Zn合金液滴
A4 高温快速加热法：激光烧蚀Si-Fe目标靶，产生蒸气，迅 速浓缩成液态纳米团簇
精品课件
1. B1 激光烧蚀：用含少量的Au、Fe或Ni的硅粉作为靶，以 Ar气作为保护气体，在石英管内，在一定温度下激光烧蚀 即可制得Si纳米线
精品课件
二 生长机理： 在适当温度下，催化剂纳米团簇与生长材料的组元互溶形
成纳米级共溶液滴。
共熔液滴持续吸入生长材料的组元蒸气，以至达到过饱和， 促成了生长材料的晶体晶核在液滴上生成。
蒸气继续被吸入，晶体在已生成的固液界面处不断析出， 推动固液界面移动，从而长出一维纳米材料
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。
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
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。
纳米材料的模板法合成
沉淀法合成纳米粒子
——共沉淀法
在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法称 为共沉淀法。根据沉淀的类型可分为单相共沉淀和混合共沉淀。
例如： 1. 在Ba，Ti的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后，形成了单相化合物
方 法
水热法 水解沉淀法
液相反应法
溶胶－凝胶法 氧化还原法
类
其它方法
冻结干燥法 喷雾法
纳米粒子合成的物理方法——粉碎法
“粉碎”一词是指块体物料粒子由大变小 过程的总称，它包括“破碎”和“粉磨”。 前者是由大料块变成小料块的过程，后 者是由小料块变成粉末的过程。粉碎过 程就是在粉碎力的作用下固体物料或粒 子发生形变进而破裂的过程。当粉碎力 足够大时，力的作用又很迅猛，物料块 或粒子之间瞬间产生的引力大大超过了 物料的机械强度。因而物料发生了破 碎。粉碎作用力的类型主要有如右图所 示几种。可见物料的基本粉碎方式是压 碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。常借助的 外力有机械力、流能力、化学能、声 能、热能等。主要由湿法粉碎和干法粉 碎两种。
9 LB技术 9 自组装技术 9 物理气相沉积 9 MBE技术 9 化学气相沉积 9 ……
Langmuir－Blodgett技术
自组装技术
Substrate
self-assembled monolayer of N-(n-hexyl)-D-gluconamide ( 8.6nm scan).
I. Tuzov, Freiburg University.
溶胶－凝胶法
溶胶－凝胶法是从金属的有机或无机化合物的溶液出发，在溶液中通 过化合物的加水分解、聚合，把溶液制成溶有金属氧化物微粒子的溶胶 液，进一步发生反应发生凝胶化，再把凝胶加热，可制成非晶体玻璃、多 晶体陶瓷等通过旋涂，可制成纳米薄膜。
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。
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是指具有纳米尺度的直径和较长的长度的材料，如纳米线、纳米管和纳米棒等。
这些材料具有独特的电子、光学、力学和热学性质，在纳米科技领域具有广泛的应用前景。
为了制备一维纳米材料，研究人员开发了多种方法，包括物理法、化学法和生物法。
物理法是一种常用的制备一维纳米材料的方法。
其中，溅射法是制备纳米线和纳米管的一种常见物理法。
溅射法通过在高真空环境中将目标材料置于靶枪中，通过高能粒子轰击目标材料，使其表面原子脱离并沉积在基底上，从而形成纳米结构。
溅射法可以制备多种材料的一维纳米结构，包括金属、半导体和磁性材料等。
化学法是另一种常用的制备一维纳米材料的方法。
其中，气相沉积法是制备纳米线和纳米管的一种常见化学法。
气相沉积法通过将金属有机化合物或金属气体在高温下分解，使金属原子沉积在基底上，从而形成纳米结构。
气相沉积法可以制备高纯度、高质量的一维纳米结构，并且可以控制其尺寸和形貌。
生物法是一种新兴的制备一维纳米材料的方法。
其中，生物合成法是利用生物体合成纳米材料的一种常见生物法。
生物合成法通过利用微生物、植物或动物等生物体代谢产生的代谢产物，在适当的条件下形成纳米结构。
生物合成法可以制备多种材料的一维纳米结构，如金属纳米线、碳纳米管和硅纳米线等。
生物合成法具有环境友好、低成本的特点，并且可以制备具有独特性能的一维纳米材料。
除了上述方法，还有其他一些制备一维纳米材料的方法。
例如，模板法是一种常用的制备纳米线和纳米管的方法。
模板法通过在纳米孔道中填充金属或半导体材料，再通过溶剂蒸发或电化学方法去除模板材料，得到一维纳米结构。
模板法可以制备高度有序、尺寸可控的一维纳米材料，并且可以控制其组成和结构。
制备一维纳米材料的方法多种多样，每种方法都具有各自的优缺点。
研究人员可以根据实际需求选择合适的方法来制备一维纳米材料，并进一步研究其性质和应用。
随着纳米科技的不断发展，相信会有更多新的制备方法被开发出来，推动一维纳米材料的应用进一步拓展。
第五章 纳米材料的制备技术
§5-1 气相法制备纳米颗粒
一、蒸发-冷凝法 3. 溅射法
用溅射法制备纳米微粒有以下优点: (1) 可制备多种纳米金属，包括高熔 点和低熔点金属。常规的热蒸发 法只能适用于低熔点金属； (2) 能制备多组元的化合物纳米微粒， 如A152Ti48、Cu91Mn9及ZrO2等； (3) 通过加大被溅射的阴极表面可提 高纳米微粒的获得量。
纳米材料制备途径
｛
从小到大: 原子团簇纳米颗粒 从大到小: 固体微米颗粒纳米颗粒
第五章 纳米材料的制备技术
目前纳米材料制备常采用的方法: 气相法
蒸发-冷凝法
化学气相反应法 沉淀法 喷雾法 溶胶-凝胶法 机械粉碎(高能球磨)法 固态反应法 非晶晶化法Βιβλιοθήκη (按物态分类)液相法
固相法
各种方法有各自的特点和适用范围
第五章 纳米材料的制备技术
纳米材料如此神奇，怎样才能获得纳米材料呢? 纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 （1～100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。 与常规材 料相比, 纳米材料表现出一些物理效应和奇特的物理特性。制 备技术是纳米科技的关键。影响纳米材料的微观结构和宏观性 能。通过不同的制备技术可以得到纳米颗粒材料、纳米膜材料、 纳米固体材料等等。
一、蒸发-冷凝法 3. 溅射法 此方法的原理如图, 用两块金属板分 别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的 材 料 ， 在 两 电 极 间 充 入 Ar 气 (40 ～ 250Pa)，两电极间施加的电压范围为 0.3～1.5kv。由于两极间的辉光放电 使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离 子冲击阴极靶材表面，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。粒子的大小及尺寸分布主要取决于两 电极间的电压、电流和气体压力。靶材的表面积愈大，原子 的蒸发速度愈高，超微粒的获得量愈多。
功能材料设计作业
《功能材料设计与制备》作业第一章绪论1、名词解释功能材料：指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。
光电效应：在光的照射下，物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电现象。
形状记忆合金：即拥有“记忆"效应的合金压电陶瓷：指某些陶瓷介质在力的作用下，产生形变，能引起介质表面带电的陶瓷超导材料：指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。
智能材料：是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。
非晶态合金：合金原子呈长程无序的非结晶状态的合金。
2、请简述功能材料发展特点（结合实例进行论述）。
1) 金属功能材料发展特点：开发比较早；被广泛应用，或具有广泛应用的前景；非晶态合金由于具有优异的物理、化学性能，极有发展前景。
2) 无机非金属功能材料发展特点：以功能玻璃和功能陶瓷为主；新型功能玻璃的发展以光功能玻璃为代表；功能材料之间的界限开始变得模糊。
第二章材料设计1、材料设计：是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。
2、材料设计主要包含哪几个环节？1）建立材料性质数据库：确定材料功能特性和效用2）成分和组织结构设计：有经验法，半经验法与基本计算法3）合成和加工工艺设计：从微观到宏观尺度对结构予以控制4）使用性能设计第三章粉体制备1. 选择合适的工艺分别制备片状和球状α-Al2O3粉体，写出制备方法、过程及如何控制粒径和纯度。
1）制备高纯片状α-Al2O3：以硫酸铝[Al(NO3)3·9H2O](分析纯)和水溶性高分子为原料。
将硫酸铝与水溶性高分子混合研磨均匀，放入烧杯中直接于150℃干燥箱中加热30min,得到面包状黄色蓬松状产物，该产物在1000℃~1200℃保温1~2h,获得高纯片状α-Al2O3。
可以通过控制球磨工艺得到不同粒径的片状α-Al2O3。
2）制备球状α-Al2O3粉体：以硝酸铝、氨水为原料采用化学沉淀法制备出α-Al2O3的前驱物-氢氧化铝,经过煅烧过程晶型转变及α-Al2O3晶粒；其中通过在氧化铝前驱体里混入隔离相,得到需要的α-Al2O3纳米颗粒的粒径、分散性。
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。
一种晶体学取向可控的硫化锌一维纳米材料的制备方法
一种晶体学取向可控的硫化锌一维纳米材料的制备方法1.引言1.1 概述概述硫化锌一维纳米材料因其独特的结构和性质，在光电子学、能源储存和传感器等领域具有广泛的应用前景。
然而，目前制备硫化锌一维纳米材料的方法存在晶体学取向不可控的问题，限制了其在实际应用中的进一步发展和应用。
本文旨在介绍一种新的方法，可以实现硫化锌一维纳米材料的晶体学取向可控制。
通过该方法，可以精确调控硫化锌纳米材料的晶格定向，从而改善其电学、光学和力学性能。
这不仅可以提高硫化锌一维纳米材料的性能，还有助于优化其在光电子学和能源储存等应用中的表现。
本文的结构如下：引言部分介绍了硫化锌一维纳米材料应用的背景和意义，概述了文章结构和目的；正文部分系统阐述了硫化锌一维纳米材料的应用和制备方法；结论部分总结了实验结果，并展望了制备方法的优势和前景。
本文的研究对于推动硫化锌一维纳米材料的发展和应用具有重要的意义，有望为相关领域的研究人员提供有价值的参考和启示。
通过晶体学取向可控的制备方法，硫化锌一维纳米材料有望在光电子学和能源储存等领域展现出更广阔的应用前景。
随着对该制备方法的进一步优化和改进，硫化锌一维纳米材料将在多个领域展现出更优异的性能和更广泛的应用前景。
文章结构部分的内容应该包括对整篇文章的分章节概述，以及各个章节的主要内容介绍。
1.2 文章结构本文主要分为以下几个章节：第一章引言在这一章节中，将对整篇文章进行概述，介绍硫化锌一维纳米材料的制备方法以及其在晶体学取向方面的可控性。
同时，对文章的结构进行简要说明。
第二章正文2.1 硫化锌纳米材料的应用在这一章节中，将详细介绍硫化锌纳米材料在各个领域的应用。
主要包括光电器件、传感器、催化剂等方面，并分析其在这些领域中的优势和应用前景。
2.2 硫化锌纳米材料的制备方法在这一章节中，将详细介绍制备硫化锌纳米材料的方法。
主要包括溶剂热法、气相沉积法、溶胶凝胶法等方法，并对各种方法的优缺点进行比较和分析，重点探讨一种晶体学取向可控的制备方法。
功能材料概论6(纳米材料)
用STM描绘样品表面三维的原子结构:
硅表面硅原子 STM图象
高序石墨原子 STM图象
1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登 研究中心（Almaden Research Center）的科学家展示了一 项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动 到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这三 个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。
STM头部
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向 可优于0.01纳米，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到 了微观世界。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度 上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原
子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。
力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密 性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗 粒间界面，如5 nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含 1019个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性。
扫描隧道显微镜下的纳米团簇
纳米颗粒型材料也称纳米粉末
可用于制备高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材
料、防辐射材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装 材料、光电子材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、敏 感元件、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、 高效助燃剂、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂 等。
碳纳米管 1991年，日本科学家饭岛澄男发 现碳纳米管。 石墨中一层或若干层碳原子卷曲而 成的笼状“纤维”，内部是空的， 外部直径只有几到几十纳米，长度 可达数微米甚至数毫米。 这样的材料很轻，但很结实。它 的密度是钢的1/6，而强度却是钢 的100倍。若用碳纳米管做绳索， 是惟一可从月球上挂到地球表面， 而不被自身重量所拉断的绳索。
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知识要点 纳米微粒粒径及其分 布的基本概念 纳米微粒粒径测量 掌握程度 相关知识
了解纳米微粒的分析方法，熟悉颗粒的分类、 材料的成分、物相、物性及显微分析方法， 粒径的定义与颗粒分布表示 等效粒径意义 掌握显微图像分析法的原理与适用范围、X TEM、SEM、STM、AFM仪器及其纳米微粒图像 射线衍射宽化法和比表面积法原理与过程， 获得技术，X射线衍射仪及其晶面间距测定， 熟悉激光粒度分析的原理与仪器、适用范围； BET法测定比表面积，激光粒度仪、拉曼光谱 仪、离心沉降粒径分析仪
例：①ZnO纳米线阵列激发发射紫外光；②ZnO纳米线在 385nm紫外线照射下，电导率从>3.5M.cm-1，下降4～6个 数量级，可用于光学开关。
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纳米材料基础与应用
（A）激光激发与检测的示意图；（B）SEM照片二维ZnO纳米 线阵列生长在蓝宝石基底；（C）从二维ZnO纳米线阵列记录的 能量依赖发射光谱
纳米材料基础与应用
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碳纳米管应用
(1) 储氢材料
碳种类 活性碳 富勒烯 碳纳米管 H2吸附量 5.1% 4.8% 5～10％ 吸附条件 150K，5.4MPa Ni催化剂，432K，5MPa 室温，40KPa
纳米材料基础与应用
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纳米碳管储氢
原理：吸附
• 特点：
氢气的吸附和脱附可在常温进行，只要改变压力即可； 储氢量大，纯净单壁碳纳米管达5.0~10%(一般7.4%)，符合美国能源 部的标准（6.4%质量分数）
纳米材料基础与应用
28
1. “毒化”晶面控制生长
夏幼南(Xia)研究组利用 多元醇还原法，选择乙 二醇作为溶剂和还原剂 来还原AgNO3，同时选 用聚乙烯吡咯烷酮PVP 作为包络剂(capping reagent)，选择性地吸 附在Ag纳米晶的表面， 以控制各个晶面的生长 速度，使纳米Ag颗粒 以一维线型生长方式生 长。
5
0 0 40 80 120 160
T/M lamellar thickness (nm)
纳米材料基础与应用
2
纳米材料基础与应用
第5章 一维纳米材料
一维纳米材料
one dimensional nanometer materials
• 定义：在两个维度上为纳米尺度的材料 长度：几百纳米至几毫米 • 结构： 横截面：
纳米材料基础与应用
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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），声波速度将大大低于标 准值。分子动力学模拟还表明，在200K到500K的温度范 围内，硅纳米线的导热性比硅块低2个等级。
纳米材料基础与应用
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光学特性
Si纳米线吸收光谱蓝移 纳米线发出的光沿着轴向偏振，具有各向异性，平行于轴向的发射 光谱强度大，垂直于轴向的发射光谱强度弱，可制成极化敏感光子 检测器，用于光子集成电路，光学开关 半导体纳米线具有激发发射特性突出的光电导性(photoconductivity)
纳米材料基础与应用 两根Ge纳米线（外包覆碳层）熔融、流动及焊接过程
6
力学性能
纳米铜和纳米钯材料随着结晶的尺寸的减小，其质地 将会变得柔软。纳米铜和纳米钯材料的特征长度分别在 19.3 nm和11.2 nm左右。
Hall-Petch公式？
单晶纳米棒，结晶好，无缺陷，力学性能强 例：SiC纳米棒610～660GPa, 理论～600GPa
纳米带 纳米电缆
4.1 纳米丝或纳米棒
• 种类： 4.2 纳米管
4.3 同轴纳米电缆
纳米材料基础与应用
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一维纳米材料的代表：
纳米棒
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
纳米材料基础与应用
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一维纳米材料特性及其应用
热稳定性能 两头先熔，再向中间延伸，直接越小，熔点越低 块状Ge，熔点930℃ 650℃ 848℃ 退火温度低 i. 有利于无缺陷纳米线的制备(熔融－重结晶) ii. 有利于在较低温度下进行纳米线之间的焊接、切割、连接， 以制备功能器件及电路 iii. 在纳米线的横截面尺寸和长度下降到一定尺寸时，环境温度 和残余应力变化对纳米线的稳定性影响很大，易发生断裂
纳米材料基础与应用
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被PVP覆盖的某些晶面其生长速率将会大大减小，如此导致 Ag纳米晶的高度各向异性生长，使纳米Ag颗粒逐渐生长Ag纳 米线。如果PVP的浓度太高，Ag纳米粒子的所有晶面都可能被 PVP覆盖，这样就会丧失各向异性生长，得到的主要产物将是 Ag纳米颗粒，而不是一维Ag纳米线。 30 纳米材料基础与应用
(3) 在高分子材料中的应用
• 提高力学性能 • 导电聚合物基纳米复合材料的制备 纳米材料基础与应用
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碳纳米管在透明聚合物基导电涂层中的应用
碳纳米管基导电涂层的柔韧性优于ITO导电膜，在膜折叠时仍 具有较好的导电性 纳米材料基础与应用
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碳纳米管作为强度纤维
美国Nanocomp公司
纳米材料基础与应用
所处环境、吸附物质的变 化而变。通过对其电学输运性能的检测，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。非常 大的表面积-体积比使得这些纳米材料具有对吸附在表面的物 质极为敏感的电学性能。
纳米材料基础与应用
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Lieber等通过改进半导体纳米线的表面特性，使其具有高 灵敏性，用于制造pH值和生命物质的实时传感器。这一原 理根据的是加质子作用和减质子作用所引起的表面变化。 Yang等以单一单晶氧化物纳米线和纳米带基本元件制造了 第一个室温光化学二氧化氮传感器。
纳米材料基础与应用
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Shyne和Milewski在20世纪60年代提出了晶须生长的VLS机理， 并第一次被Wagner和Ellis成功地应用于β-SiC晶须的合成。 ２０世纪９０年代，美国哈佛大学的M．C．Lieber和伯克利 大学P．D．Yang以及其他的研究者借鉴这种晶须生长的VLS法 来制备一维纳米材料。 现在VLS法已广泛用来制备各种无机材料的纳米线，包括元 素半导体(Si，Ge），III-V族半导体(GaN，GaAs，GaP，InP， InAs)，II－VI族半导体(ZnS，ZnSe，CdS，CdSe），以及氧化 物(ZnO，Ga2O3，SiO2)等。下面我们结合图5.6来说明什么是 VLS生长。
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一维纳米材料的制备方法
气相法
纳米材料基础与应用
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(1) 气－液－固（VLS)生长
所谓VLS生长，是指气相反应系统中存 在纳米线产物的气相基元(B)(原子、离 子、分子及其团簇)和含量较少的金属 催化剂基元(A),产物气相基元(B)和催化 剂气相基元(A)通过碰撞、集聚形成合 金团簇，达到一定尺寸后形成液相生核 核心(简称液滴)合金液滴的存在使得气 相基元(B)不断溶入其中从图 (b)相图上 看，意味着合金液滴成分[不断向右移 动]，当熔体达到过饱和状态时(即成分 移到超过c点时)，合金液滴中即析出晶 体(B)。析出晶体后的液滴成分又回到 欠饱和状态，通过继续吸收气相基元 (B),可使晶体再析出生长。如此反复， 在液滴的约束下,可形成一维结构的晶 体(B)纳米线。
纳米材料基础与应用
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美国佐治亚理工学院的王中林等利用高温固体气相蒸发法成功合成了ZnO、 SnO2、In2O3、CdO和Ga2O3等宽禁带半导体的单晶纳米带。
纳米材料基础与应用
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液相法
气相法适合于制备各种无机半导体纳米线（ 管） 。 对于金属纳米线，利用气相法却难以合成。液相法可 以合成包括金属纳米线在内的各种无机、有机纳米线 材料，因而是另一种重要的合成一维纳米材料的方法。 液相法包括“毒化”晶面控制生长和溶液－液相－固 相法 (solution-liquid-solid, SLS)。
纳米材料基础与应用
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光电导性和光学开关特性
高光敏纳米线可以制作非常灵敏的紫 外线探测器，用于微量分析、检测和 制作纳米光电子光学应用中的光控制 开关状态的快速开关装置。
（A）ZnO纳米线暴露在532和365 nm光波长下的电流响应； （B）ZnO纳米线在高低导电态的可逆转变
纳米材料基础与应用
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可作为高强复合材料的填料
纳米材料基础与应用
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电性能
金属纳米线，尺寸下降后变为半导体
例：Bi纳米线，52nm时产生金属半导体转变 GaN，17nm时仍为半导体 Si,~15nm时变为绝缘体 • 应用：
① 纳米线组装成阵列，具有储存密度大，材料选择范围宽等优点，如GaN可 用于高温器件 ② 金属纳米线填充于聚合物时，与纳米粒子相比，用量可大大降低，从而减 少金属的消耗，减轻电子装置重量 ③ 用作纳米电极，用于电化学分析和检测 ④ CdSe纳米棒＋聚噻吩制成杂化材料，用于太阳能电池，性能优于CdSe量子 点（因为CdSe纳米棒在较低能量下就可以传输电子)
2. 溶液－液相－固相法 (solution-liquid-solid, SLS)
美国华盛顿大学Buhro等人采用溶液－液相－固相(SLS)法， 在低温下（111℃ ～203℃）合成了III -V族化合物半导体（InP, InAs，GaP，GaAs）纳米线。纳米线一般为多晶或单晶结构， 纳米线的尺寸分布范围较宽，其直径为20～200nm，长度约１ ０m。这种低温SLS生长方法的机理非常类似于前面说过的高 温ＶＬＳ生长机制。 碳氢溶剂+质子型助剂、三叔丁基铟或镓烷 AsH3和PH3等为砷、磷源。 铟、镓等为低熔点金属。 纳米材料基础与应用
• 储氢量影响因素：
大直径有利 单壁有利 掺杂有利于储氢－
a. 多壁碳纳米管＋铜粉 储氢量5.7%
b. 掺碱金属（锂、钾金属） 1atm，200～400℃或室温，储氢20％，升高温度，释放H2
纳米材料基础与应用
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碳纳米管应用
(2)电子显微镜针尖