纳米功能材料理论基础
纳米材料分类和应用最全介绍
• 1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者 费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微 尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们 可能获得物性的范围”。
• 这个领域包括了从微米(1-100μ m)、亚微米， 纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸) 的范围。
§1.1 基本概念和内涵
• 从广义上来说，凡是出现量子相干现象 的体系统称为介观体系，包括团簇、纳 米体系和亚微米体系。
• 纳米体系和团簇从这种介观范围独立出 来，形成一个单独的领域(狭义的介观领 域)。
§1.1 基本概念和内涵
• （2） 纳米材料与传统材料的主要差别： • 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数
量级上。 • 比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度
在纳米尺度范围内。尺寸
• 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等， 使材料在物理和化学上表现出奇异现象。
• 比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散 率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。 性能
§1.1 基本概念和内涵
• 2. 纳米科技(Nano-ST)
• （1）纳米技术：20世纪80年代末期刚刚 诞生并正在崛起的新科技，是研究在千 万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米) 内，原子、分子和其它类型物质的运动 和变化的科学；同时在这一尺度范围内 对原子、分子等进行操纵和加工的技术。
• 人们研究和开发纳米技术的目的，就是 要实现对整个微观世界的有效控制。
§1.1 基本概念和内涵
• (3) 制造纳米产品的技术路线可分为两种：
• “自上而下” (top down)：是指通过微加工或 固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产 品微型化。 如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷 等。
纳米金属材料的性能、应用与制备
由于以上特性的存在，使纳米金 属材料成为材料研究的热点，同 时金属及其合金纳米材料在现代 工业、国防和高技术发展中充当 着重要的角色。
三、纳米金属材料的应用
1.钴（Co)高密度磁记录材料 2.吸波材料 3.表面涂层材料 4.高效催化剂 5.导电浆料 6.高性能磁记录材料 7.高效助燃剂 8.高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料 9.Al基纳米复合材料 10.其他应用
注：电子浆料是制造厚膜元件的基础材料，是一种由固体粉末和有机溶剂经过三辊轧制混合
均匀的膏状物（可联想成牙膏、油漆等样子）。 厚膜技术是集电子材料、多层布线技术、表面微组装及平面集成技术于一体的微电子技术。
6.高性能磁记录材料 利用纳米铁粉矫顽力高、饱和磁化强度大、信噪比高和
抗氧化性能好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘 的性能。
液相法特别适合制备组成均匀、纯度高的复合氧化物纳米粉体，但其缺点是 溶液中形成的粒子在干燥过程中，易发生相互团聚，导致分散性差，粒子粒度变 大。应用于液相法制备纳米微粒的设备比较简单，其生成的粒子大小可以通过控
制工艺条件来调整，如溶液浓度、溶液的PH值、反应压力、干燥方式等。
注：分散性：分散性固体粒子的絮凝团或液滴，在水或其他均匀液
铜及其合金纳米粉体用作催化剂效率高，选择性强，可用于二氧化碳和氢 合成甲醇等反应过程中的催化剂。通常的金属催化剂铁、铜、镍，钯、铂等制成 纳米微粒可大大改善催化效果。由于比表面积巨大和高活性，纳米镍粉具有极强 的催化效果，可用于有机物氢化反应、汽车尾气处理等。
5.导电浆料
用纳米铜粉替代贵金属粉末制备性能优越的电子浆料可大大降低成本，此 技术可促进微电子工艺的进一步优化。
注：1GHz=103MHz=106KHz=109Hz
纳米材料综述功能材料与应用论文(已处理)
纳米材料综述功能材料与应用论文（已处理）纳米材料综述摘要概述了纳米材料的基本概念、分类方法及结构特征, 重点介绍了纳米材料的光谱、催化、光电化学及反应性等化学特性及应用.1、纳米材料的基本概念纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级 0.11 nm, 100nm 的超微粒子纳米微粒及由其聚集而构成的纳米固体材料。
纳米固体材料分为纳米晶体材料、纳米非晶态材料及纳米准晶态材料。
其中纳米晶体材料按其结构形态又可分为四类:1 零维纳米晶体, 即纳米尺寸超微粒子;2 一维纳米晶体, 即在一维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如一维纤维, 一维碳纳米管;3 二维纳米晶体, 即在二维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如纳米薄膜、涂层;4 三维纳米晶体, 指晶粒在三维方向上均为纳米尺度, 如纳米体相材料, 纳米陶瓷材料。
另外, 还有纳米复合材料, 以复合方式不同分为0-0、0-2、0-3 型复合, 即零维纳米粒子分别与纳米粒子、二维及三维材料复合而成的固体材料。
纳米材料科学是现代化学、物理学、材料学、生物学等多门学科相互交叉、相互渗透的新兴学科, 其研究内容主要包括两个方面:1 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特性,通过和常规材料对比, 找出纳米材料的特殊规律, 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论, 发展完善纳米材料科学体系;2 探索新的制备方法, 发展新型的纳米材料, 研究制备工艺与材料结构、性能之间的关系规律, 并拓宽其应用领域。
2、纳米材料的性质2.1、纳米微粒的结构和特性纳米粒子处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是由数目很少的原子或分子组成的聚集体。
由于纳米粒子具有壳层结构。
粒子的表面原子占很大比例，并且是无序的类气状结构, 而在粒子内部则存在有序-无序结构，这与体相样品的完全长程有序结构不同。
纳米粒子的结构特征使其产生了小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，并由此派生出传统固体材料所不具备的许多特殊性质。
纳米材料的基本概念与性质
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒 尺寸减小而增大。
如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；当温度为1K， Ag纳米粒子直径小于14nm，Ag纳米粒子变为绝缘体。
合成了一维氮化硅纳米 线体。
氮化硅纳米丝
31
1.2 纳米微粒的基本性质
1.电子能级的不连续性 - kubo理论 2. 量子尺寸效应 3. 小尺寸效应 4. 表面效应 5. 宏观量子隧道效应
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这一 理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子 的量子尺寸效应进行了深入分析。
碳纳米管的发现
❖ 饭岛澄男(Iilijima Sumio)分别在1991 和1993年发表论文
❖ “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ”
❖ “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。
制备C60常用的方法：
采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
纳米磁性功能复合材料
纳米磁性功能复合材料摘要：磁性功能材料一直是国民经济和军事领域的重要基础材料。
早在1930年，Fe3O4 微粒就被用来做成磁带；此后，Fe3O4粉末和粘合剂结合在一起被制成涂布型磁带；后来，又采用化学共沉淀工艺制成纳米Fe3O4磁性胶体，用来观察磁畴结构。
20世纪60年代磁性液体的诞生亦与此有着密切的关系。
如今，磁性功能材料广泛的应用于通信、自动控制、电信和家用电器等领域，在信息存储、处理和传输中已经成为不可缺少的组成部分，尤其在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。
面对纳米科技的发展浪潮，磁性材料无论在研究领域还是在应用领域，都已取得了长足的进步。
在磁性材料方面，量子理论的发展与磁性材料的结合，使得磁性材料的发展进入材料设计阶段。
正文：纳米磁性功能复合材料一、纳米磁性功能复合材料的定义。
<1>、磁性复合材料：以高分子材料为基体与磁性功能体复合而成的一类功能材料。
常用的磁性材料主要有铁磁性的软磁材料和硬（永）磁材料。
软磁材料的特点是低矫顽力和高磁导率。
硬磁材料则表现在高矫顽力和高磁能积。
除了上述磁性材料外，尚有铁磁材料和反（逆）铁磁材料。
<2>、纳米材料：尺度为1~100nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。
它具有断裂强度高、韧性好、耐高温等特性。
<3>、纳米复合材料：分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。
二、纳米磁性微粒的磁学特性。
<1>磁畴结构:磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。
所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图所示。
各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。
宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的为零磁距，它也就不能吸引其它磁性材料。
3.-纳米功能材料理论基础PPT课件
只能研究尺寸较小的纳米结构，或得到局部性质，如表面/界面等。
7
-
泛函密度理论的框架
物质的电子结构由多粒子体系哈密顿函数和薛定格方程 描述
通过Born-Oppenheimer 近似，实现离子和电子自由度的 分离
ZnO纳米线激子束缚能与半径的关系(a) L=0轻空穴 (b) L=±1重空穴。
1s，2s和3s分别对应于基态，第一激发态和第二激发态的结合能。
32
-
Z方向波函数的平方在Z方向的分布
33
-
• 沿Z方向的波函数的平方 在Z方向的分布，其中的 实线代表考虑了介电失 配的结果，而虚线代表 没有考虑介电失配的结 果。
26
-
缺陷对ZnO纳米线能带结构的影响
存在VZn, Pi, Oi, PZn-2VZn, VO和 Zni缺陷时ZnO纳米线的 27 - 电子能带结构图。费米能级设定为零。
掺杂对电子结构的影响（费米面处态密度分布）
用SIESTA软件计算的Na、Ga和N掺杂ZnO纳米线在费米面附近的态 密度分布的等高面
带隙与表面原子比
近似线性关系表明带隙随纳米线直径的变化是由表面原子引 21 - 起的。Eg～d的关系可以用来调控发光波长。
Eg与纳米带度/厚度的关系
ZnO纳米带的LDA带隙宽度（EgLDA）随纳米带截面积的尺寸相关变化。 (a)点线连接具有相同宽度不同厚度的纳米带 ，A、B、C代表具有相近
截面积，但不同禁带宽度的情况
(b) 点线连接具有相同厚度不同宽度的纳米带
22
-
纳米材料的热力学性质研究
纳米材料的热力学性质研究随着科技的不断进步以及人们对高效、多功能材料需求的增加，纳米材料所展示出的性能优势越发显著。
纳米材料不仅具备优异的物理、化学性质，其独特的热力学性质也成为同类材料的难以匹敌之处。
热力学性质的研究不仅有助于深入探究纳米材料的本质特性，而且能够为这些材料的应用提供更加准确的理论基础。
本文将就纳米材料的热力学性质研究展开探讨。
一、纳米材料的热力学性质的特殊之处纳米材料由于其结构的特异性和规模的小型化，具备独特的热力学性质，表现在以下几个方面：1、增大的表面积纳米材料由于体积小、表面大，因此表面和体积之比较高。
表面与周围物质的交互作用非常强烈，使得纳米材料的表面活性远高于同种材料的宏观晶体。
2、大量的表面结构缺陷由于纳米材料表面积很大，材料表面附近存在大量的表面缺陷，这些缺陷会对纳米材料的热力学性质产生影响。
例如，在温度较高时，表面缺陷会导致熵的增加，从而使得纳米材料的热容和热导率发生变化。
3、变化的化学反应动力学纳米材料表面活性增强，表面化学反应动力学和热可逆性也会发生变化。
当纳米材料受到热能激励时，其表面化学反应常常具有更高的速度和更大的可逆性。
二、热力学性质的研究方法纳米材料的热力学性质的研究方法包括如下几种：1、热敏感物性测量纳米材料的热敏感物性（如热容、热导率、热膨胀等）通常采用热敏感物性测量技术进行表征。
常见的热敏感物性测量仪器包括热差式微量热计、激光闪烁法、电热法、多频率热导率仪、高温热膨胀仪等。
2、热力学参数计算可以通过计算模拟的方式，计算出纳米材料在特定温度下的热力学参数。
这种方法适用于已经有高精度材料晶体结构参数的纳米材料。
3、分子动力学模拟分子动力学模拟可以通过模拟原子或分子的微观结构运动来计算纳米材料的热力学参数。
这种方法适用于未知或复杂纳米材料的热力学参数计算。
三、热力学性质的研究进展1、热容纳米材料的热容随颗粒大小的减小而降低，这意味着纳米材料在相同温度下所储存的热能要比宏观材料少。
纳米材料导论
材料科学1、纳米材料导论（选修课）绪论0.1纳米科技的兴起1959年，美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R．P．Feynman)曾指出:“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹？”今天，这个美好的愿望已经开始走向现实.目前，人类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特性能。
这就是面向21世纪的纳米科学技术。
0．2纳米材料的研究历史人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。
宏观是指研究的对象尺寸很大，并且下限有限，上限无限（肉眼可见的是最小宏观，而上限是天体、星系)。
到目前为止，人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解,一些学科领域都已建立，如力学、地球物理学、天体物理学、空间科学等。
微观指原子、分子，以及原子内部的原子核和电子，微观有上限而无法定义下限。
19世纪末到20世纪初,人类对微观世界的认识已延伸到一定层次，时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。
建立了相应的理论，例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。
相对而言,在原子、分子与宏观物质的中间领域，人类的认识还相当肤浅，被誉为有待开拓的“处女地".近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质,也不同于微观体系的奇异现象。
下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。
1 000年以前。
当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。
中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜，遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成.1861年，随着胶体化学（colloidchemistry）的建立，科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。
但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。
纳米材料的结构及其性能
纳米材料的结构及其性能摘要：介绍了纳米材料的基本概念，纳米材料基本组成单位，四个效应及相关纳米材料的性能。
关键词：纳米材料结构性能20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructured materials）一跃成为科学家十分关注的研究对象。
新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引起世界各国科技界及各国政要的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的"热点"。
1999年12月14日，美国总统科学和技术顾问委员会（PCAST）致函克林顿，极力推荐美国国家科学和技术委员会（NSTC）的提议，即从2001年度财政预算中开始实施"国家纳米技术推进计划"（National Nanotechnology Initiative--NNI）,引起克林顿的高度重视。
2000年1月2日，克林顿签发执行令，决定将NNI 列为美国科技领域最优先发展的计划，并在2000年度财政预案中专为此项计划追加2.25亿美元，与2000年度相比增加了84%。
美国政府这一举措引起了世界范围的广泛关注，新一轮科技竞争已经在或明或暗的气氛中形成，纳米或纳米技术背后隐藏着的巨大商机开始显现，有资料表明，1999年全球纳米技术的生产值达500亿美元，预计到2010年将达到14400亿美元。
1、纳米和纳米材料纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于10-9米，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。
在英语里纳米用nano 表示，NANO一词源自拉丁前缀，矮小之意。
纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。
纳米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是纳米级结构材料的简称。
纳米薄膜材料
纳米薄膜材料引言：随着社会生产的发展，仅以强度为主要功能的结构材料越来越不能满足人们的需要，而功能材料的出现弥补了这一不足。
功能材料是指除强度外，以其他功能（电、磁、声、光、热等）为主要功能的材料的总称。
即为满足某些特定的物理和化学性能要求而制造的材料，就是功能材料。
如，电功能材料，磁功能材料，光功能材料，超导材料，储氢材料，形状记忆合金，非晶材料、纳米材料和生物医学材料等等。
纳米材料作为功能材料的一种，较其他材料其具有更为优异的物理化学特性及发展潜力，正在不断的吸引着世界的目光。
而且随着电子工业的迅速崛起，使得纳米薄膜材料和技术变得越来越重要，特别在集成电路微型化和微电子方面。
一纳米材料1 定义及分类从狭义上，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。
广义上，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或由它们作为基本单元构成的材料。
按维数，纳米材料的基本单元一般分为三类：○1零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等；○2一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米棒、纳米线、纳米管等；○3二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如薄膜，超晶格等。
2 纳米粒子的特性（1）小尺寸效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，电子被局域在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程很短，能级产生分裂，这使得材料的声、光、电、磁、热、力学等性能发生新奇的改变。
如金属纳米材料的电阻随尺寸的下降而增大；金属熔点明显降低；10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm矫顽力变为零，表现为顺磁性等。
（2）表面效应纳米材料由于其组成材料的纳米粒子尺寸小，微粒表面所占的原子数目大大增加。
例如，当粒子粒径从100nm减小到1nm，其表面原子占粒子中原子总数从20%增加到99%。
庞大的比表面，使得键态严重失配。
纳米材料综述
纳米材料自动化11-12班刘湘澎04111497纳米材料著名科学家费曼于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中，以“由下而上的方法”(bottom up) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。
他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。
”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。
”[1]1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。
1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。
[2]2 纳米知识介绍2.1纳米纳米（Nanometer），是一种长度单位，即1米的十亿分之一，单位符号为 nm。
2.2纳米技术纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。
其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。
纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段：第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。
研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。
第二阶段 (1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料：•纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，•纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，•纳米复合薄膜(0-2复合)。
第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。
它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。
材料科学中的纳米科技与功能材料
材料科学中的纳米科技与功能材料纳米科技是近年来在材料科学领域中迅速发展的一个分支。
由于新材料的开发可以带来各种新特性，纳米材料成为了许多研究的对象。
纳米结构的颗粒是一般物质的一百分之一左右的大小。
此外，材料的表面积是与其特性密切相关的重要指标。
因此，纳米材料在表面积和相对大小上具有显著的差异。
纳米科技的发展趋势是在数学，物理和化学等领域的交叉结合下发展出新材料，新能源和新技术。
一、纳米材料的基本特性纳米材料具有以下一些典型的特性：1.纳米材料可以更好地利用资源。
由于纳米颗粒是一般物质的一百分之一左右的大小，因此可以应用于催化，吸附和储存等方面。
因此，可以更好地用于污染物处理，超级电容器，太阳能电池和锂离子电池等领域。
2.纳米材料的表面积比一般物质大得多。
例如，三维球的表面积是4πr²，而纳米颗粒就是更大的值。
这样，当我们使用纳米颗粒时，表面积也会显著增加。
当我们使用更高的表面积时，它也将显著增加。
3.纳米材料表现出完全不同的化学和物理特性。
例如，当纳米颗粒的大小发生变化时，光的吸收和反射也会发生变化。
同时，物理特性也会发生变化，例如电子的传输或热的扩散。
二、纳米技术在新材料的开发中的应用1.新材料中的纳米材料的制备和应用纳米材料已经应用于实际生产中，例如光催化材料，高效电极材料和向导材料（导电材料）。
在这些应用中，纳米颗粒的特性发挥了极大作用。
2.纳米技术在燃料电池中的应用燃料电池是一种能够直接将化学能转化为电能和热能的电池。
其中，纳米技术的应用已经在燃料电池领域中有所突破。
纳米颗粒的表面积和催化特性显著影响着燃料电池的性能。
通过对纳米粒的表面处理，表面活性可以调节，从而提高纳米颗粒的催化活性，从而提高燃料电池的效率。
3.纳米技术在太阳能电池中的应用太阳能电池是将太阳光能转化为电能的一种技术，其主要原理是利用半导体材料的光电效应进行电子传输。
纳米技术也在纳米材料和太阳能电池技术中发挥了重要作用。
纳米材料导论第一章纳米材料的基本概念与性质
1.1.5 纳米复合材料
❖ 0-0复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子 复合而成的纳米固体;
❖ 0-3复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中;
❖ 0-2复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.
均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布； 非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中。
18
高韧性陶瓷材料、
人体修复材料和抗癌制剂等。
12
1.1.3纳米粒子薄膜与纳米粒子层系
定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的 薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或 多层膜 具有特殊的物理性质和化学性质
13
纳米级第二相粒子沉积镀层举例
(Ni-P)-纳米Si3N4复合层 用具有很好悬浮性能的纳米Si3N4固体微粒作为镀液的第二相 粒子,通过搅拌使其悬浮在镀液中,用电刷镀的方法使Ni-P合金与 纳米Si3N4微粒共沉积于基体表面.它具有沉积速度快、镀层硬 度高和耐磨性好等优异的性能.
27
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这 一理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒 子的量子尺寸效应进行了深人的分析。
久保理论是针对金属超微颗粒费米面附近电子能 级状态分布而提出来的，它与通常处理大块材料费米 面附近电子态能级分布的传统理论不同，有新的特点， 这是因为当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效 应原大块金属的准连续能级产生离散现象．
采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流电 弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥发 物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可以 采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
材料科学中的纳米结构和功能材料
材料科学中的纳米结构和功能材料材料科学在现代工业中扮演着非常重要的角色。
不同的材料具有不同的物理和化学性质，因此可以根据需要来选择材料。
近年来，材料科学中的研究重点已经由大型宏观材料转移到了纳米结构和功能材料。
本篇文章将介绍材料科学中的纳米结构和功能材料的基础知识以及研究进展。
一、什么是纳米结构纳米结构通常是指尺寸小于100纳米的材料。
根据纳米结构的形状和组成，它们可以具有不同的物理和化学性质。
例如，比起宏观物质，纳米颗粒的比表面积更大，因此具有更强的表面反应性。
此外，纳米结构的特殊大小也会导致它们的光学、电学、磁学和机械性质不同于宏观材料。
这些具有特殊性质的材料被称为“纳米材料”。
二、纳米结构的制备方法纳米结构的制备方法有很多种。
下面列举其中几种制备方法。
1.气相沉积法气相沉积法是一种通过高温下沉积气体分子来制备纳米颗粒的方法。
通常，气相沉积法可以分为热蒸发法、热滴 deposition 法和化学气相沉积法。
通过气相沉积法可以制备出成规模的高质量纳米颗粒。
2.溶液法溶液法是一种通过化学和物理反应来制备纳米结构的方法。
通常，这种方法涉及两个化学反应。
首先，起始材料（通常是金属盐或金属氧化物）溶于溶剂中。
随后，将一种还原剂加入溶液中，通常是一种强还原剂，以将起始材料还原成金属颗粒。
3.电化学合成电化学合成是一种制备纳米结构的方法，在这种方法中，金属离子会在电极表面被还原成金属颗粒。
这种方法非常灵活，可以通过控制电位和沉积时间来得到不同形状和组成的纳米颗粒。
三、功能材料功能材料是指具有特殊功能的材料，例如具有比常规材料更好的导电、光学或机械性能的材料。
功能材料可以分为多种类型，以下是其中几种。
1.半导体材料半导体材料被广泛用于电子学和光电学领域。
这种材料可以将电的传导性质的调节在导体和绝缘体之间，这种特性使半导体材料广泛应用于电子元件和光电器件中。
2.光电材料光电材料集导电、光学和电学特性于一身。
这种材料可以将光能转换为电能，或将电能转换为光能，因此可以用于制造太阳能电池、荧光灯等电子器件。
纳米技术的基础知识
所谓“眼睛”，即可利用SPM直 接观察原子、分子以及纳米粒子的相 互作用与特性。
所谓“手”，是指SPM可用于移 动原子、构造纳米结构，同时为科学 家提供在纳米尺度下研究新现象、提 出新理论的微小实验室。
2 .ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ米器件
纳米科技的最终目的是以 原子、分子为起点，去制造具 有特殊功能的产品。因此，纳 米器件的研制和应用水平是进 入纳米时代的重要标志。如前 所述，纳米技术发展的一个主 要推动力来自于信息产业。
纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构 进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而 使得功能密度和数据通过量达到新的水平。在纳 米尺度下，现有的电子器件把电子视为粒子的前 提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新 的效应，如量子效应。利用量子效应而工作的电 子器件称为量子器件，像共振隧道二级管、量子 阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比， 量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗( 能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经济可靠 等优点。为制造具有特定功能的纳米产品，其技 术路线可分为“自上而下”(top down)和“自下 而上”(bottom up)两种方式。
二、纳米科技的研究领域
1．纳米材料
纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材 料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有 特殊性能的材料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体 、纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材 。纳米材料结构的特殊性[如大的比表面以及一系列 新的效应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子 隧道效应)]决定了纳米材料出现许多不同于传统材料 的独特性能，进一步优化了材料的电学、热学及光 学性能。对于纳米材料的研究包括两个方面：一是 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征， 通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律， 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是 发展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术 问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀 化、分散化、稳定化 。
《纳米材料》PPT课件 (2)
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
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。
纳米材料原理
纳米材料原理
纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米
材料具有独特的物理、化学和生物学特性，因此在材料科学、物理学、化学、生物学等领域具有广泛的应用前景。
纳米材料的研究和应用已经成为当今科学研究的热点之一。
首先，纳米材料的特殊性质源于其尺寸效应。
当材料的尺寸减小到纳米尺度时，其表面积和界面效应将显著增强，从而导致材料的物理、化学和生物学性质发生显著变化。
例如，纳米材料的光学、电子、磁学、力学等性质将与宏观材料有所不同，这为纳米材料的应用提供了新的可能性。
其次，纳米材料的制备和表征技术是纳米科学研究的关键。
纳米材料的制备技
术包括物理方法、化学方法、生物方法等多种途径，如溅射法、溶胶-凝胶法、化
学气相沉积法、生物合成法等。
而纳米材料的表征技术包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射等多种手段，这些技术的发展为纳米材料的研究和应用提供了重要的支持。
另外，纳米材料的应用领域包括纳米电子学、纳米光电子学、纳米生物学、纳
米医学、纳米能源等多个领域。
例如，纳米材料可以应用于柔性电子器件、光催化剂、生物传感器、药物载体、锂离子电池等方面，展现出广阔的应用前景。
同时，纳米材料也面临着诸如生物安全性、环境友好性、大规模制备等挑战，这些问题需要进一步的研究和解决。
总的来说，纳米材料是一种具有特殊性质和广泛应用前景的材料，其研究和应
用已经成为当今科学研究的热点之一。
随着纳米科学技术的不断发展，纳米材料必将在材料科学、物理学、化学、生物学等领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出重要贡献。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
泛函密度理论的框架
物质的电子结构由多粒子体系哈密顿函数和薛定格方程 描述
通过Born-Oppenheimer 近似，实现离子和电子自由度的 分离
根据密度泛函理论，系统的能量由电子密度唯一决定， 系统的能量作为电子密度的泛函
通过局域密度近似，电子结构由单粒子Kohn-Sham方程 描述
预测尺寸和缺陷对纳米材料弹性模量的影响
预测纳米材料的光、电、磁性能及变化趋势，为 性能调控提供理论依据
器件性能
纳米功能材料理论基础
为器件设计提供指导
低维纳米材料的理论研究方法
低维纳米材料的理论研究方法主要有： 第一性原理计算 包络函数法 分子动力学 半经验性的紧束缚法 ……
宏观经典理论研究方法（如连续介质力学、电磁学理论） 在纳米材料的研究中有局限性，需要重新选取研究方法。
确定交换关联函数，通过自洽法（SCF)求解Kohn-Sham 方程
通过赝势（Pseudopotential），降低理论计算工作量 选取合适基组，如平面波、分子轨道等，波函数的求解 纳米变功成能材系料理数论的基础求解。
第一性原理计算常用软件
常用第一性原理泛函密度理论计算的常用软件有：
VASP： 件
包络函数方法被广泛地用来描述半导体量子器件的电子态 ， 包括能带结构、基态能量、电荷分布等。
可以求解纳米材料的各种物理性能，如光学性能、电输运和 磁纳米学功性能材能料等理论。基础
纳米线电子结构的特点
维数与电子结构的关系 纳米材料的态密度分布（DOS） 纳米线的能带结构 HOMO与LUMO分布
纳米功能材料理论基础
理论研究的意义和目的
为了指导纳米器件的设计，优化纳米器件性能，研制出 具有优良性能的纳米器件，必须对纳米材料和器件的电 子态和物理性能进行理论模拟。
微电子器件的发展历史表明，理论模拟对于新型器件的 设计、现有器件的完善和实用化是非常重要的。
在理论研究中，物质的各种物理性能建立在物质电子结 构的基础上。纳米器件由各种形状的纳米材料组成。纳 米材料中的电子态的研究是纳米器件研究的基础。
包络函数法的特点
方法特点是采用与固体物理中赝势法类似的方法，在选取周 期性变化的波函数之后，重点研究描述迅速振荡的微观波函 数的介观慢变部分—包络函数。
这种方法从微观势场出发，在实空间中建立包络函数赝微分 方程，或包络函数的傅里叶变换的积分方程，进而推导出包 络函数。
通常采用有效质量近似（Effective Mass Approximation, EMA），用有效质量张量描述微观波函数的性质。
纳米功能材料理论基础
不同维数纳米材料的电子结构
大块材料
3－D
量子阱 2－D
量子线 1－D
量子点
纳米功能材料理论基础
0－D
ZnO纳米线的态密度（DOS）
DOS (态/meV A)
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00 0
10
20
30
40
50
E (meV)
Mn掺杂ZnO纳米线的态密度 半径为8nm的，B=50T
纳米功能材料理论基础
理论研究模式
自下而上的研究过程： 研究物质的电子态，包括能带结构，态密度分布，基态结构
和能量等； 以此为基础，研究物质的各种物理性能，如力学性能，光学
性能，电学性能，磁学性能等； 根据物质的各种性能，设计出实现各种功能的器件。
自上而下的研究过程： 即从器件需要的功能出发，提出构建这种器件的材料应该具有的性 能，寻找具有这种性能的材料。
理论研究工作在这方面有重要的作用， 可以先于实验预测具有特定性能的材料； 对实验中发现的新现象提供理论解释，找出普遍性的规律，返过来 指导实验，推动相关学科的发展。
纳米功能材料理论基础
理论研究的主要内容
生长模式 电子结构 力学性质 物理性质
预测生长，指导纳米材料的实验合成
预测纳米材料的电子结构，为力学和物理性能的 研究提供基础
纳米功能材料理论基础
第一性原理计算方法
第一性原理计算方法是理论研究中广泛应用的方法 可以根据量子力学的普遍原理，结合系统中原子的电子数和位置，
经过计算得到该系统的电子结构，从而推算出这种物质的物理性 能。 只需要给出系统中原子的种类和数量，原子位置（可选），只需 要最基本的物理常数，面而不需要实验参数，就能够得到需要的 电子结构和物理性能。 局限性在于能够处理的系统的大小有限，计算所需要的CPU时间 和存储器容量随着系统中电子数的增加而急剧增加，能够处理的 原子数量一般在1000个原子以内。 只能研究尺寸较小的纳米结构，或得到局部性质，如表面/界面等。
功能纳米材料与器件
3. 纳米功能材料理论基础
纳米功能材料理论基础
提纲
理论研究的目的和意义 理论研究的方法
包络函数和有效质量近似法 第一性原理计算 纳米材料电子结构的特征 纳米材料电子结构的理论研究 第一性原理计算研究纳米材料的电子结构 包络函数法研究纳米材料的电子结构
ZnO纳米线的研究实例
DMol3： 商业软件，使用方便，服务好，价格昂贵
纳米功能材料理论基础
纳米线的计算模型
纳米线的超晶胞的轴向周期与块体材料相同，但在截面方向留有足够的 空间以确保相临纳米线之间相互作用可以忽略。
纳米功能材料理论基础
包络函数法
包络函数法是在研究半导体量子器件时发明的一种方法。 以常规晶体的波函数为基础，用包络函数描述纳米尺度
平面波+赝势，并行计算较率较高，收费软
SIESTA： 分子轨道+赝势，对CPU和内存要求低， 对学术界免费
Abinit ：
平面波+赝势，开源软件（G来自L协议） 更新快功能多PWSCF(QE):平面波+赝势，OpenMX: 分子轨道+赝势， 开源软件（GPL协议）
CASTEP： 商业软件，使用方便，服务好，价格昂贵
的结构变化，以有效质量张量来描述载流子的能带结构， 研究纳米结构的光、电、磁等物理性能。
能够有效地研究纳米材料这种特定的几何尺寸引起的量 子现象，可以用来研究实际尺寸纳米材料的电子结构和 性能。
需要实验测量或通过第一性原理计算得到的基体材料的 电子结构参数为基础。
在半导体的超晶格、量子点、量子阱研究方面得到大量 纳米应功用能材。料理论基础