(完整版)2-1纳米材料及基本性质

纳米材料的分类
按维数，纳米材料的基本单元可以分为: 1 零维：在空间三维尺度上均在纳米尺度，如 纳米尺度颗粒，原子团簇； 2 一维：在空间有两维处于纳米尺度，如纳米 丝，纳米棒，纳米管等； 3 二维：在三维空间中有一维在纳米尺度，如 超薄膜，多层膜，超晶格等。
由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成 分。因此，纳米材料出现了许多不同于通常的大块 宏观材料的特殊性质。
纳米材料
本节要讨论的问题
1 纳米材料的定义及分类 2 纳米结构及分类 3 纳米材料的基本单元 4 纳米材料的基本特性
小尺寸效应、量子尺寸效应、 表面效应、宏观量子隧道效应
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同年1月,日本NEC公司饭岛(Ijima)等发现纳米 碳管，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关 注。
Serendipity
• Serendipity这个词的中文含义很难表达。它来自英国作 家H. Walpole的小说“The Three Princes of Serendip” （Serendip三王子的故事），原来指碰巧发现珍宝的运气。 其一般含义是，发现并非有意寻求的好东西之能力。视不 同场合，这个词也许可以译作“歪打正着”、“偶然发 现”、“意外发现”、“捕捉意外良机的本领”，等等。 科学史上的许多科学发现似乎纯属意外，都是科学家凭借 这种特殊能力而妙手偶得的。
物理学家理查德.费曼Richard Feynman 1959年《在底部还有很大空 间There is Plenty of Room at the Bottom. 》
一个原子一个原子地制造物品
•Eric Drexler
–One time student of Feynman
–1986 book
•“Engines of Creation”
微纳米艺术之微纳米地图（配图.科普）
• 纳米科技是高度交叉的综合性学科，包括物 理、化学、生物学、材料科学和电子学。它 不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础 学科，同时还有以纳米工程与加工为主线的 技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融 科学前沿和高技术于一体的完整体系。
• 纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米 化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子 学、纳米加工学和纳米力学。
纳米结构单元
Байду номын сангаас构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳米结构的 基本单元有下述几种：
1 团簇(cluster)
原子团簇是一类新发现的化学物种，是在20世 纪80年代才出现的，原子团簇是指几个至几百个原 子的聚集体（粒径小于或等于 1nm），如Fen， CunSm，CnHm和碳簇（C60, C70和富勒烯等）等。
Co纳米粒子——彩色透镜
标称粒径60nm二氧化硅 粒度标准物质的电镜照片
3 纳米管
早在 1970年法国奥林大学（University of Orleans）Endo首次用气相生长技术制成了直径为 7nm的碳纤维，遗憾的是，他没有对这些碳纤维的 结构进行细致地评估和表征。
1991年，美国海军实验室一个研究组提交一篇 理论性文章，预计了一种碳纳米管的电子结构，但 当时认为近期内不可能合成碳纳米管。
C纳米管 和C60球
纳米材料发展的三个阶段
第一阶段（1990年以前） 主要是在实验室探索制备纳米颗粒 粉体、块体、薄膜新方法，研究表征手 段，探索纳米材料的特殊性能。 研究的对象一般局限在单一材料和 单相材料，国际上通常把这类纳米材料 称纳米晶或纳米相材料。
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。
第三阶段（从1994年到现在） 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构
的材料体系越来越受到人们的关注 （通向纳 米器件研究）。
第四阶段（未来） 纳米器件与纳米计算机等装置的研究，纳米 工业革命… ... 。
内容提要
纳米材料及其分类 纳米结构单元 纳米材料的基本特性 纳米微粒的物理性质 纳米材料的制备方法
极大的比表面积使它具有异常高的化学活 性和催化活性、光的量子尺寸效应和非线性效应、 电导的几何尺寸效应、C60掺杂或掺包原子的导电 性和超导性、碳管和碳葱的导电性等。
C60及其他富勒烯
• C60的发现——1985年美国Smalley教授和英国kroto 等在Rice大学的实验室，采用激光轰击石墨靶， 并用苯来收集碳团簇，用质谱仪分析发现高丰度 的C60。
• 法国大科学家巴斯德说，“机遇垂青有准备的头脑”。只 有那些善于观察和思考、孜孜不倦寻求真理的人才会牢牢 抓住有所发现，有所创造。
什么是纳米材料？
• 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米 量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、 分子与宏观体系之间的纳米粒子所组成的材料。
• 纳米材料：把组成相或晶粒结构控制在 100nm以下尺 寸的材料称为纳米材料。
• 纳米材料的特点： 1 原子畴（晶粒或相）尺寸小于100nm； 2 很大比例的原子处于晶界环境； 3 各畴之间存在相互作用。
C60由32个面构成，其 中20个六边形，12个五边 形，C60 的直径为0.7nm。
构成碳团簇的原子数为 20、24、28、32、36、50、 60和70具有高的稳定性， 其中又以C60最稳。
2 纳米微粒
纳米微粒一般在 1～100nm之间，有人称它 为超微粒子（ultra-fine particle）。 日本名古屋大学上田良二给纳米微粒下了一 个定义：用电子显微镜（TEM）能看到的微 粒称为纳米微粒。
绝大多数原子团簇的结构不清楚，但已知有线 状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等．
层状
基本纳米结构单元 轨道状
Cu分形状
多孔状
基本纳米结构单元
Au-足球状
基本纳米结构单元
洋葱状
原子团簇的特性
原子团簇不同于有特定大小和形状的分子、 分子间以弱的结合力结合的松散分子团簇和周期 性很强的晶体。
原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚 未形成规整的晶体，除惰性气体外，它们都是以 化学键紧密结合的聚集体。