第10章 纳米材料
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• 那么，纳米到底有多大呢？
什么是纳米材料？
微观结构至少在一维方上受纳米尺度1～ 100nm，调制的各种固体超细材料，或者 有他们作为基本单元构成的材料
纳米材料的存在形式
纳米材料的种类
纳米材料根据性能和结构来分，有很多分类。 可是通常把纳米材料按照维数来分。故可以 把纳米材料分为零维，一维，二维。 零维：空间三维尺度均在纳米尺度 如：碳纳 米管，原子团簇 一维：空间中有两维处在纳米尺度，如纳米丝 ，纳米管，纳米棒 二维：空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜 ，多薄膜，超晶格
纳米材料的发展阶段
纳米材料的发展大致可以划分为3个阶段：
• 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室 探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒 粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征 的方法。
第二阶段
(1994 年前 ) 人们关注的热点是如何利用 纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和 力学性能，设计纳米复合材料。
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 • 主要应用於半导体材料，最初的半导体材 料是砷化镓和镓铝砷交替生长得到的超晶 格材料。目前已经扩展到 InAs\GaSb,InAlAs\InGaAs,TeGe\TeHg,Sb Fe\SbSnTe
纳米超薄膜，纳米膜和纳米涂层
如:0-0复合, 0-2复合, 0-3复合
第三阶段
• 第三阶段(从1994年到现在)纳米组 装体系的研究。它的基本内涵是以 纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单 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
什么是纳米？
纳米（Nano meter）又称为毫微米，是一种
长度计量单位
1 m = 10 mm = 10 m =109 nm =1010 Å
纳米复合材料
• 有两种或者两种以上固相至少在一维以上 纳米尺度组合而成的复合材料
纳米材料产生效应的微观机制
• 由于微观粒子的玻粒二象性使经典力学失效 • 量子力学是以基本作用量子h的出现和用整 数来表示物质系统的状态为特征。即粒子能 量的增减与传递不是连续的，而是量子化的。 • 微观粒子不能以精确坐标(x, y, z)来描述。 • 在某给定时间t，在Δx, Δy, Δz内微观粒子都 有存在的可能 → 几率分布 • 质量随粒子的运动速度而有所变化。 • 时间与空间也随粒子的运动速度而变
纳米颗粒
• 颗粒尺寸为纳米级别的超微材料，尺度大 于原子团簇，小于通常的微粉。一般在1— 100nm之间，原子数范围10^3—10^5 • 在催化，滤光，光吸收，医药，磁介质方 面具有广泛的应用
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
小尺寸效应的结果
• 随着纳米颗粒尺寸的减小，与体积成比例的能量 ，如磁各向异性等亦相应降低，当体积能与热能 相当或更小时，会发生强磁状态向超顺磁状态转 变。当颗粒尺寸与光波的波长、传导电子德布罗 意波长、超导体的相干长度或透射深度等物理特 性尺度相当或更小时，其声、光、电、磁和热力 学等特性均会呈现新的尺寸效应。将导致光的等 离子共振频移、介电常数与超导性能发生变化。
尺寸及形貌导致颜色不同
小尺寸效应的表现
当黄金被细分到小于光 波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光 泽而呈黑色。事实上， 所有的金属在超微颗 粒状态都呈现为黑色。 尺寸越小，颜色愈黑。
小尺寸效应的应用
• 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％ ，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特 性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还 可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 • 1991年春的海湾战争，美国F－117A型隐身 战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超 微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收 能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现 了对伊拉克重要军事目标的打击
• 纳米超薄膜是处在数量级的纳米数量级薄 膜，由于纳米级别的薄膜具有许多不同寻 常的特性，如巨磁阻效应，导电，电致发 光，光电转换等多种功能 • 通常用于制备传感器，太阳能电池以及其 光通讯原件，亦可模拟生物膜
纳米固体材料
• 具有纳米特征的固体材料 • 纳米颗粒压制烧结成的三维材料表现为颗 粒和界面双组元； • 原子簇堆压成块后，成为保原结构而不发 生长大的固体，具有特殊的力学，光学， 电学，磁学和化学性质
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
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。 • 1984年Cleiter制备出金属纳米粒子，然后在真空 中原位加压制备出Pd，Cu，Fe等金属纳米块状 材料。 • 20世纪80～90年代中扫描隧道显微镜(STM)与原 子力显微镜(AFM)的发明。以后，纳米材料学成 为独立学科。
本Biblioteka Baidu的重点
• • • • 纳米材料的种类 纳米材料的特性 纳米材料的应用 纳米材料的制备
纳 米 材 料 的 种 类
原子团簇
• 介于单个原子与固态块体 之间的原子集合体，其尺 寸一般小于1nm，约含几 个到几百个原子。 • “幻数”个原子稳定性 • 气、液、固态的并存与转 化 • 极大的表面/体积比 • 异常高的化学活性和催化 活性 • 结构的多样性和排列的非 周期性 • 其它奇特性质 Fullerene C60结构
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
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
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• 那么，纳米到底有多大呢？
什么是纳米材料？
微观结构至少在一维方上受纳米尺度1～ 100nm，调制的各种固体超细材料，或者 有他们作为基本单元构成的材料
纳米材料的存在形式
纳米材料的种类
纳米材料根据性能和结构来分，有很多分类。 可是通常把纳米材料按照维数来分。故可以 把纳米材料分为零维，一维，二维。 零维：空间三维尺度均在纳米尺度 如：碳纳 米管，原子团簇 一维：空间中有两维处在纳米尺度，如纳米丝 ，纳米管，纳米棒 二维：空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜 ，多薄膜，超晶格
纳米材料的发展阶段
纳米材料的发展大致可以划分为3个阶段：
• 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室 探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒 粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征 的方法。
第二阶段
(1994 年前 ) 人们关注的热点是如何利用 纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和 力学性能，设计纳米复合材料。
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 • 主要应用於半导体材料，最初的半导体材 料是砷化镓和镓铝砷交替生长得到的超晶 格材料。目前已经扩展到 InAs\GaSb,InAlAs\InGaAs,TeGe\TeHg,Sb Fe\SbSnTe
纳米超薄膜，纳米膜和纳米涂层
如:0-0复合, 0-2复合, 0-3复合
第三阶段
• 第三阶段(从1994年到现在)纳米组 装体系的研究。它的基本内涵是以 纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单 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
什么是纳米？
纳米（Nano meter）又称为毫微米，是一种
长度计量单位
1 m = 10 mm = 10 m =109 nm =1010 Å
纳米复合材料
• 有两种或者两种以上固相至少在一维以上 纳米尺度组合而成的复合材料
纳米材料产生效应的微观机制
• 由于微观粒子的玻粒二象性使经典力学失效 • 量子力学是以基本作用量子h的出现和用整 数来表示物质系统的状态为特征。即粒子能 量的增减与传递不是连续的，而是量子化的。 • 微观粒子不能以精确坐标(x, y, z)来描述。 • 在某给定时间t，在Δx, Δy, Δz内微观粒子都 有存在的可能 → 几率分布 • 质量随粒子的运动速度而有所变化。 • 时间与空间也随粒子的运动速度而变
纳米颗粒
• 颗粒尺寸为纳米级别的超微材料，尺度大 于原子团簇，小于通常的微粉。一般在1— 100nm之间，原子数范围10^3—10^5 • 在催化，滤光，光吸收，医药，磁介质方 面具有广泛的应用
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
小尺寸效应的结果
• 随着纳米颗粒尺寸的减小，与体积成比例的能量 ，如磁各向异性等亦相应降低，当体积能与热能 相当或更小时，会发生强磁状态向超顺磁状态转 变。当颗粒尺寸与光波的波长、传导电子德布罗 意波长、超导体的相干长度或透射深度等物理特 性尺度相当或更小时，其声、光、电、磁和热力 学等特性均会呈现新的尺寸效应。将导致光的等 离子共振频移、介电常数与超导性能发生变化。
尺寸及形貌导致颜色不同
小尺寸效应的表现
当黄金被细分到小于光 波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光 泽而呈黑色。事实上， 所有的金属在超微颗 粒状态都呈现为黑色。 尺寸越小，颜色愈黑。
小尺寸效应的应用
• 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％ ，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特 性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还 可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 • 1991年春的海湾战争，美国F－117A型隐身 战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超 微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收 能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现 了对伊拉克重要军事目标的打击
• 纳米超薄膜是处在数量级的纳米数量级薄 膜，由于纳米级别的薄膜具有许多不同寻 常的特性，如巨磁阻效应，导电，电致发 光，光电转换等多种功能 • 通常用于制备传感器，太阳能电池以及其 光通讯原件，亦可模拟生物膜
纳米固体材料
• 具有纳米特征的固体材料 • 纳米颗粒压制烧结成的三维材料表现为颗 粒和界面双组元； • 原子簇堆压成块后，成为保原结构而不发 生长大的固体，具有特殊的力学，光学， 电学，磁学和化学性质
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
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。 • 1984年Cleiter制备出金属纳米粒子，然后在真空 中原位加压制备出Pd，Cu，Fe等金属纳米块状 材料。 • 20世纪80～90年代中扫描隧道显微镜(STM)与原 子力显微镜(AFM)的发明。以后，纳米材料学成 为独立学科。
本Biblioteka Baidu的重点
• • • • 纳米材料的种类 纳米材料的特性 纳米材料的应用 纳米材料的制备
纳 米 材 料 的 种 类
原子团簇
• 介于单个原子与固态块体 之间的原子集合体，其尺 寸一般小于1nm，约含几 个到几百个原子。 • “幻数”个原子稳定性 • 气、液、固态的并存与转 化 • 极大的表面/体积比 • 异常高的化学活性和催化 活性 • 结构的多样性和排列的非 周期性 • 其它奇特性质 Fullerene C60结构
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
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