第三章 几类常见的纳米微粒及其性质

室内环境净化
纳米TiO2的应用
卫生保健
灭杀细菌和病毒
可以用于生活用水的的 杀菌消毒；负载TiO2 光催化剂的玻璃、陶瓷 等是医院、宾馆、家庭 等各种卫生设施抗菌除 臭的理想材料
使致癌细胞失活
纳米TiO2的应用
防结雾 自清洁涂层
有机污垢
在紫外光照射下，水在氧化钛薄膜上完全浸润。因 此，在浴室镜面、汽车玻璃及后视镜等表面涂覆一 层氧化钛可以起到防结雾的作用
基本物性
纳米TiO2的应用
环保方面的应用
光 催 化 剂
卫生保健方面的应用 防结雾和自清洁涂层
光催化化学合成
纳米TiO2的应用
有机污染物的处理
环 保
无机污染物的处理
1. 光催化能够解决Cr6+、Hg2+、Pb2+等重金属子的污染问题 2. 光催化还可分解转化其它无机污染物，如CN-、NO2-、H2S、 SO2, NOx等
纳米氧化铝
Leabharlann Baidu
• 用特种工艺制成的高纯纳米氧化铝是一种粒 径为～ 的超细粉体，由于纯度高、颗粒细小 且分布均匀，其表面电子结构和晶体结构发 生较大的变化， • 使纳米化铝具有特殊的表面和界面效应，临 界尺寸效应、量子尺寸效应和量子遂道效应 等， 因而呈现出一系列独特的光、电、热、 力学等方面的性质，从而使其具有更优异的 特性和广泛的应用前景。
极高的强度、韧性和弹性模量 力 学 性 能 弹性模量可达1Tpa 增强体可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及 各向同性，
电磁性能
碳纳米管可能是导体，也可能是半导体
导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角 扶手椅方向(armchair) 和锯齿面方向(zig) 大约有1/ 3是金属导电性的，而2/ 3是半导体性的。
Ⅲ-Ⅴ族 InAs量子点 GaSb量子点 GaN量子点
Ⅱ-Ⅵ族 ZnTe量子点 CdSe量子点 CdS量子点 ZnO量子点
常见量子点
CdSe量子点的光学特性
ZnS 包裹CdSe QDs 在近紫外灯激发下的十种颜色变化. 从左至右——由蓝变红 激发波长分别在 443, 473, 481, 500, 518, 543, 565, 587, 610, 655 nm.
其它——整流效应
碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形 缺陷，使其局部区域呈现异质结特性。
不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出 现非线性结效应，有近乎理想的整流效应
纳米碳管的应用
若用CNT代替碳黑 场致发射材料 场致发射显示器
纳米碳管的应用 C N T 代 替 碳 黑
添加量只需0.01%～0.004%
场 致 发 射 显 示 器
薄型化 平板化 能在恶劣条件下工作
目前存在的主要问题
合成的碳纳米管纯度 不高、均匀性差 溶解性差
化学选择性差 未知的毒性
以功 解能 决化 的 方 法 可
非碳纳米管
除碳纳米管之外一维纳米材料包括人们熟知的纳米棒、 金属(如上所述)及半导体纳米线、同轴纳米电缆、纳米 带等。
它们的尺寸范围稍有区别。纳米材料的尺寸大于原子簇而小于通 常的微粉，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。
零维纳米材料
纳米粒子 量子点 纳米TiO2 纳米Al2O3
纳米粒子
巨大的表面积和表面效应
特 性
体积效应，
尺寸诱导相变。
Kubo认为纳米粒子由于尺寸的减小,将产生两方面的效应: ①是表面效应(Surface effect) ②是体积效应(Volume effect) 因此,纳米粒子具有一系列不同于宏观块体的特性。
Current Opinion in Biotechnology 2002, 13:40–46
纳米二氧化钛
形态 锐钛矿 金红石 板钛矿
相对密度 晶格类型 3.84 4.22 4.13
晶格常数 a c 9.37 5.8
Ti-O距离 禁带宽度 /eV /nm 0.195 0.199 3.2 3
正方晶系 5.27 正方晶系 9.05 斜方晶系
纳米金
纳米金的SEM图片
纳米金
直径<0.6nm、金丝呈螺旋 状结构，是由3 到4 股相同 螺旋的原子链密堆地绕在一 起的(图中A1和A2)
硫族化物
现已合成的非碳一维纳米线
Ga2O3 15o
Fe2O3
ZnO
GaN
一维WS2纳米线应用于AFM针尖
传统针尖：微米级 WS2针尖：纳米级
一维金属纳米材料
集合了一维纳米材料及金属本身的特性
具备优异的物理和化学性能
纳米电子器件方面具有很大的应用潜力
Au、Ag等贵金属纳米线具有优异的电学性能，可用 于制作纳米电路器件; W、Mo 等难熔金属纳米线具有出色的场发射性能， 可作为场发射电子器件。
直径/nm 15
15～75 5 60～80 20～40 100 0.5～5 45～60 80～100
长度/μm 5 0.2 0.5～5 1～2 0.5～3 60 5 2 4
目前报道的非碳纳米管有几十种，相 关文章有上千篇！
WS2, MoS2, TiS2, ZnS, NiS, CuS, WSe2, MoSe2, NbSe2, CdSe …… V2O5, Al2O3, TiO2, ZnO, (Er, Tm, Yb, Lu) oxide, 氧化物 SiO2, MoO3, RuO2 …… PbNbnS2n+1, Mo1-xWS2, Nb-WS2, WS2多相金属掺 CNTs, Au-MoS2,Ag-WS2,Ag-MoS2, 杂 Cu5.5FeS6.5 …… Au,Ag,Co,Fe,Cu,Ni …… 金属 硼基和硅基 BN,BCN,Si NiCl2,WO2Cl2 卤化物
纳米氧化铝
• α－Al2O3 ，其比表面低，具有耐高温的惰性，但 不属于活性氧化铝，几乎没有催化活性； • β－Al2O3、γ－Al2O3 的比表面较大，孔隙率高、 耐热性强，成型性好，具有较强的表面酸性和一 定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载 体等新的绿色化学材料。 • α－Al2O3在自然界中以刚玉形式存在，其硬度约 为，仅次于金刚石和碳化硅，利用这个特性可制 做钻头砂轮、锉刀和轴承等。
它既是研究其他低维材料的基础，又与纳米电子器件 及微型传感器密切相关可能在纳米导线、开关、线路及 高性能光导纤维等方面发挥极大的作用
碳纳米管
一般认为碳有三种同素异形体：金刚石、石墨和无定形碳
1970年 法国科学家就首次研制出直径为7nm的碳纤维。 1985年 Kroto，Smalley等发现了C60 1991年 日本饭岛澄男用高分辨电子显微镜发现了碳纳米管
几类常见的纳米材料 及其性质
纳米材料及分类
以纳米来命名材料是在上世纪80年代它作为一种材料的 定义把纳米颗粒限制到1nm～100nm范围。 在纳米材料发展初期纳米材料是指纳米颗料和由它们构 成的纳米薄膜和固体。 现在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。
电子功能 磁学功能
催化
吸声 生物骨替代 屏蔽射线
粉体或多孔烧结体
多孔烧结体 致密烧结体 致密烧结体
化学传感器
催化剂、催化剂载体 吸声板 核反应堆屏蔽材料
一维纳米材料
一维纳米材料
准一维纳米材料是在二维方向上为纳米尺度，长度 上为宏观尺度的新型材料(如纳米管、纳米棒等)
一维的纳米材料NF(nanofibers)由准一维纳米材料发展而来
在窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表 面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛在太阳光照射下产生 的强氧化能力和超亲水性，可以实现表面自清洁
无机污垢
CO2 H2O
TiO2薄膜
纳米氧化铝
氧化铝是白色晶状粉末，已经证实氧化铝有 α、β、γ、δ、η、θ、κ和χ等十一种晶体。 不同的制备方法及工艺条件可获得不同结构的纳米氧化铝： χ、β、η和γ型氧化铝，其特点是多孔性、高分散、高活性， 属活性氧化铝； 另外还有κ、δ、θ型氧化铝；
在照相机闪光灯的照射下燃烧 单层碳纳米管
透射电子显微镜
透射电子显微镜
碳纳米管
纳米突
像头发一样的单层碳纳米管
纳米碳管中注入有富勒烯的原型
碳纳米管作骨架制作的立体结构图
碳纳米管花瓣
直 径 约 80 μ m 的 “ 雏 菊 ”
碳纳米管的特性
力学性能 电磁性能 光学性能
热学性能
其它
碳纳米管的特性
量子点
零维纳米材料由于具有量子性也叫量子点，是一种 直径在1～100 nm 之间，能够接受激发光产生荧光 的半导体纳米颗粒。
量 子 点
三维团簇——尺寸大小都在纳米量级1～100 nm 之间 人造原子——光、电性质与原子相似、类似 原子能级结构 库仑电荷效应——有电子(或空穴)的排斥作用
量子点
Ⅳ族 Si量子点 Ge量子点
按用途分类
纳米材料及分类
指在空间三维 尺度均在纳米 尺度
指在空间中有 二维尺度处于 纳米尺度 指在空间中有 一维处于纳米 尺度
零维
纳米尺度颗粒、原子团簇
按 维 一维 数
二维
纳米丝、纳米棒、纳米管
超薄膜、多层膜，孔材料等
零维纳米材料
零维纳米材料
纳米粒子（nano－particle） 超微粒子（ultrafine particle） 超微粉（ultrafine powder） 烟粒子（smoke particle） 团簇（cluster） 纳米团簇（nano-cluster）
已用于汽车工业
可以用于制造飞机机翼的抗静电罩 代替目前采用的ITO导电玻璃，以克 服ITO的脆性和与塑料难粘附的缺点。
纳米碳管的应用 场 致 发 射 材 料
它作为电子枪时比Si和W更优越
多壁碳纳米管(MWNT)场致发射源 的亮度可比现有的电子源高30倍
纳米碳管的应用
低功耗 低电压
与液晶显示器相比
纳米管BN、MoS2、WS2
纳米棒SiC、Si3N4
纳米丝Si、SiO2、SiC 纳米电缆SiC 纳米带ZnO、In2O3、CdO、PbO
几种常见一维非碳纳米管类型
材料 WS2(多壁)纳米管 WS2(单壁)纳米管 Bi纳米管 V2O5纳米管 钛酸盐纳米管 CdS纳米管 BN纳米管 CdSe纳米管 GaN纳米管
纳米Al2O3的应用
分类 特性 高强度 工程陶瓷 硬度、强度、韧性 高机械强度 热功能 耐高温性 导热性 绝缘体 离子导体 磁流体发电 透光性 光学功能 透红外光性 透无线电波 化学功能 吸声功能 生物功能 核工功能 传感 材料状态用途 致密烧结体 致密烧结体 粉末 致密烧结体 高纯致密烧结体、薄片 高纯致密烧结体、薄片 β-氧化铝烧结体 致密烧结体 致密透明烧结体 热压烧结体 致密烧结体 烧结体 用途 叶片、转子、活塞、内衬、喷嘴 切削工具 研磨膏、模具材料、补强材料 锥体导弹窗口耐热结构材料、高温炉、高温用坩锅 集成电路基片 集成电路基片、散热性绝 缘衬底 钠硫电池 电离气体通道 高压钠灯管、激光窗口 导弹窗口、卫星天线窗 化学传感器
热学性能
热导率在120K以下与温度成平方关系，120K以上趋于线性。 热扩散率在120K以下为线性，而120K以上趋于不变。 从热导率和热扩散率这两个全温区非线性的物理量推出 的比热容在整个测量温区表现出良好的线性 多壁碳纳米管层与层之间的振动耦合很弱，每一层可以单 独考虑并具有理想的二维声子结构
纳米材料及分类
分类方式 类别
纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、 按化学组成分类 纳米玻璃、纳米高分子、纳米复 合材料等 按材料物性分类 纳米半导体、纳米磁性材料、纳 米非线性材料、纳米铁电体、纳 米超导材料、纳米热电材料等 纳米电子材料、纳米生物医用材 料、纳米敏感材料、纳米光电子 材料、纳米储能材料等 表1 纳米材料的分类
标志着碳家族增加了两种新的同素异形体：
富勒烯(Fullerene) C60和纳米碳管。
•碳纳米管结构示意图
(A) 椅形单壁碳纳米管 (B) Z形单壁碳纳米管 (C) 手性单壁碳纳米管
(D) 螺旋状碳纳米管， (E) 多壁碳纳米管截面图
碳纳米管的结构
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
碳纳米管的性质
碳纳米管轴向磁感应系数是径向的111倍， 超出C60近30倍。
光学性能
单壁碳纳米管的发光强度随发射电流的增大而增强。
多壁碳纳米管的发光位置主要限制在面对着电极的部分， 发光强度也是随着发射电流的增大而增强。 单壁管膜的光吸收随压力的增大而减弱，其原因主 要是压力的变化能够导致管的对称性的变化。 在室温条件下，碳纳米管能够吸收较窄频谱 的光波，能以新的频谱发射光波，还能发射与 原来频谱完全相同的光波