晶体结构学习报告

在这半个学期的学习中，我对纳米材料的晶体结构有了一些了解，主要学习的方面是关于金属氧化物的纳米结构，本文对所学的材料的结构以及功能、特点进行整理和总结，并以纳米氧化锌为例分析。

纳米材料是在纳米尺度（0.1~100nm）内调控物质结构制成的具有特异性能的材料。纳米材料应具有宏观材料所不具有的特异性能，当有些材料自身尺寸超出10nm很多甚至达微米级时，该材料中的一些亚结构或精细结构（如空穴、层、通道等）仍在纳米尺度范围内，具有一些纳米材料的特性，称之为具有纳米结构的材料。氧化物纳米材料是其重要的一个分支，包括金属氧化物、非金属氧化物、复合氧化物纳米材料等，纳米结构的氧化物因具有纳米材料的小尺寸效应，量子效应、表面效益、界面效应而被广泛研究。典型的金属氧化物纳米结构有氧化钛、氧化铁、氧化铜、氧化镍等。由于它们有优越性能而被广泛应用于光电、传感、环保、催化等各个领域。

结构对于金属化物纳米材料性能的影响是非常重要的一个因素，如具有中空结构无机氧化物是一类特殊结构的材料，其一个明显的特征就是具有很大的内部空间及厚度在纳米尺度范围内的壳层，这种中空结构使材料具有很多优良的特性，例如：低密度、高比表面积、通过壳层的传输路径短，因而在轻质填料、催化剂和可控传输等领域有重要的应用。王志琰等将布洛芬和纳

米Fe3O4颗粒包裹在SiO2空心球中，制备出载药磁性SiO2空心球，该材料适合用作药物的载体，具有缓释效果.Xu jie LU等制备出了纳米TiO2空心球，并研究了其在可见光范围内的光吸收和光催化性能。Haiyan Xiao等合成的多层次的CeO2纳米晶体微球因具有多层次的三维结构和多孔微结构，在去除模拟废水中的污染物如Cr6+及罗丹明B等有着非常好的吸附效率。

金属氧化物纳米材料的维度对其性能也存在一定的影响，零维的纳米结构如纳米粒子、原子团簇等因均具有大的比表面积而受到关注，纳米颗粒最大的特点是表面效应和体积效应，并由此导致了许多特殊的磁、光、电等宏观特性。黄云霞等使用不同的化学共沉淀法制备出零维度α-Fe2O3和γ-Fe2O3粉体，通过实验证明他们都具有微波吸收性能。一维纳米结构如纳米管、纳米线、纳米棒、纳米带等因其在尺寸上的微观性，表现出特殊的光、电、磁等特性，使其在介观领域和纳米器件研制方面有着重要的应用前景。王培义等使用表面活性剂辅助制备零维、一维纳米SnO2，指出实现形貌调控，改善应用性能将是表面活性剂辅助制备不同形貌纳米SnO2的未来研究方向。Thomas Beuvier等合成了TiO2纳米带，还研究了纳米带作为高效锂离子电池阴极材料的性能，并指出其有望替代Li4Ti5O12或者石墨锂离子电池阴极材料。二维纳米结构如纳米片、纳米薄膜、纳米叶子等具有大的表面积而在光学、电学方面等都已有应用。S.Sokolov等使用一种新颖的涂膜技术-模板辅助静电喷雾沉积法制备出了介孔、大孔、多层次

孔的金属氧化物薄膜，通过调整沉积时间和薄膜层数达到控制薄膜的厚度等参数。三维纳米结构由低维度单元组装而成的，其组装方式更为有序，更加可控，并且体现了纳米尺度下的各种效应，因而与相对应的低维度纳米结构相比具有许多其所不具备的物理化学特性。

ZnO的形貌与晶体结构按形貌来分，有单晶ZnO，薄膜ZnO、纳米结构ZnO，纳米结构又分为纳米点、纳米颗粒、纳米线、纳米棒（纳米柱）、纳米管、纳米花、纳米片（纳米带）、纳米弹簧、纳米环、纳米梳、纳米钉（纳米针）、纳米笼、纳米四足体、塔状纳米结构、盘状纳米结构、星状纳米结构、支状纳米结构、中空纳米微球、纳米阵列等。按晶体结构来分，ZnO又有六方对称铅锌矿结构、四方岩盐矿结构和闪锌矿结构，其中六方对称铅锌矿结构为稳定相结构。在不同的环境下制备出的ZnO的结构与形貌都不尽相同而不同的结构与形貌又表现出不同的性质，有不同的应用。

纳米ZnO是橡胶和轮胎工业必不可少的添加剂，纳米ZnO的添加大幅度提高了橡胶制品的光洁度、机械强度、耐温和耐老化性能，特别是耐磨性能；纳米ZnO的表面高活性可以提高催化剂的选择性能和催化效率；其优异的紫外线屏蔽能力使其在涂料的抗老化等方面具有较为突出的特性；利用纳米ZnO制备出的陶瓷釉面更加光洁，具有抗菌、防霉、除臭等功效，且可以降低玻璃和陶瓷的烧结温度。纳米ZnO由于质量轻、厚度薄、吸波能力强等

优点，而成为雷达吸波材料研究的热点之一此外，纳米ZnO还是优质的抗静电复合材料。

氧化锌纳米线阵列的形貌与晶体结构

图2.2显示了典型的氧化锌纳米阵列的SEM照片，其生长条件为生长时间60min，氩氧混合气流25sccm.图2.2（a）是45度倾斜视角的SEM图，从中可以看到氧化锌纳米线呈列状生长于衬底上，并在大范围内保持均匀。而图 2.2（b）为顶部视角的SEM 图，可以看到纳米线垂直生长于衬底上，并呈现平顶的六角柱状结构。图2.2（c）显示的是氧化锌纳米线阵列的截面图，它进一步表明了纳米线主要沿着其c轴垂直于衬底表面生长。纳米线的

高度大约为14μm,平均直径约为1200nm。图2.2（d）是图2.2（c）的局部放大图，其表明了氧化锌纳米线的根部连在一起，形成一层厚度大约为2μm的连续膜。

图2.3（a）显示的是上述氧化锌纳米线的低倍TEM照片，从中可以看到纳米线的柱状形貌。而通过图2.3（b）的纳米线高分辨率TEM照片，可以清晰地分辨出氧化锌的晶格条纹，其条纹间距约为0.26nm,与氧化锌（0002）晶面间距相一致，表明氧化锌的生长方向为（0001）方向。