第三章 几类常见的纳米微粒及其性质
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第三章 纳米颗粒
(3)溅射法
• 原理：由于两极间的辉光放电使 Ar离子形成，在电场作用下， Ar离子冲击阴极靶材表面，使 靶材原子从其表面蒸发出来形成 超微粒子，并在附着面上沉积下 来。
• 优点：(i)可制备多种纳米金属， 包括高熔点和低熔点金属；(ii) 能制备多组元的化合物纳米颗粒， 如Al52Ti48、Cu19Mn9等；(iii)通 过加大被溅射的阴极表面可提高 纳米微粒的获得量。
3.1 纳米颗粒的种类
• 存在状态：粉体(powder)或胶体(colloid)
不连续相的分 散颗粒
当分散质在某个方 向上的线度介于 1～100nm时，这 种分散体系称为胶 体分散体系。
一种或几种物质 以一定分散度分 散在另一种物质 中形成的体系
3.2 纳米颗粒的制备方法
★气相法
气相法 （1） 低压气体蒸发法 （2） 活性氢－熔融金属反应法 制备的主要纳米粒子种类 纳米金属、合金或离子化合物、氧化 物 纳米金属，纳米氮化物
纳米氧化物 纳米氧化物 纳米金属 纳米氧化物
★ 固相法
方法
化学合成法 粉碎法
制备的主要纳米粒子种类
纳米Fe2O3 金属或合金纳米粉体
(1) 沉淀法
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• 原理：包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀 剂(如OH-、C2O42-、CO32-等)后，或于一定温度下使溶液 发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从 溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热 分解或脱水即得到所需的氧化物粉料
① 共沉淀法：含多种阳离子溶液加入沉淀剂，所有离子完全 沉淀的方法 (i) 单相共沉淀：沉淀物为单一化合物或单相固溶体
例：BaCl2+TiCl4 草酸 BaTiO(C2O4)2.4H2O 450-750℃ BaTiO3
纳米微粒的基础理论课件
的方法。
沉淀法是通过化学反应使溶液中的离子形成沉淀，再 经过洗涤、干燥得到纳米微粒的方法。
化学法是通过化学反应制备纳米微粒的方法， 主要包括化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、沉淀 法等。
溶胶-凝胶法是利用溶胶中的胶体粒子相互聚结 形成凝胶，再通过干燥和热处理得到纳米微粒的 方法。
生物法
1
生物法是利用生物体系中的酶、微生物等生物分 子进行催化或合成纳米微粒的方法，主要包括生 物合成法和生物提取法。
根据应用需求选择合适的制备方法， 如根据所需纳米微粒的尺寸、形貌、 化学成分等特性选择合适的制备方法 。
03
纳米微粒的性质与应用
纳米微粒的物理性质
小尺寸效应
由于纳米微粒的尺寸在纳米级别，其电子能级发 生分裂，导致新的光学、电学和磁学等性质。
表面效应
纳米微粒的巨大表面积与体积比使其表面原子活 性增加，影响其化学反应活性。
量子效应
在纳米尺度上，电子的运动受到限制，表现出显 著的量子效应，影响材料的导电性和磁性。
纳米微粒的化学性质
01
02
03
高反应活性
纳米微粒具有高表面能， 使其在化学反应中表现出 高反应活性。
催化性能
纳米微粒可作为高效的催 化剂，应用于许多化学反 应中。
稳定性与相容性
通过表面修饰，纳米微粒 可以改善其在不同介质中 的稳定性和相容性。
研究和评估。
跨学科合作
纳米微粒的研究和应用涉及多 个学科领域，需要加强跨学科 的合作和交流，促进创新发展 。
技术瓶颈
目前纳米微粒的制备、表征和 应用技术还存在一些瓶颈，需 要加强技术研发和创新。
法规和伦理问题
随着纳米微粒的广泛应用，相 关的法规和伦理问题也逐渐凸 显，需要建立相应的规范和标
沉淀法是通过化学反应使溶液中的离子形成沉淀，再 经过洗涤、干燥得到纳米微粒的方法。
化学法是通过化学反应制备纳米微粒的方法， 主要包括化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、沉淀 法等。
溶胶-凝胶法是利用溶胶中的胶体粒子相互聚结 形成凝胶，再通过干燥和热处理得到纳米微粒的 方法。
生物法
1
生物法是利用生物体系中的酶、微生物等生物分 子进行催化或合成纳米微粒的方法，主要包括生 物合成法和生物提取法。
根据应用需求选择合适的制备方法， 如根据所需纳米微粒的尺寸、形貌、 化学成分等特性选择合适的制备方法 。
03
纳米微粒的性质与应用
纳米微粒的物理性质
小尺寸效应
由于纳米微粒的尺寸在纳米级别，其电子能级发 生分裂，导致新的光学、电学和磁学等性质。
表面效应
纳米微粒的巨大表面积与体积比使其表面原子活 性增加，影响其化学反应活性。
量子效应
在纳米尺度上，电子的运动受到限制，表现出显 著的量子效应，影响材料的导电性和磁性。
纳米微粒的化学性质
01
02
03
高反应活性
纳米微粒具有高表面能， 使其在化学反应中表现出 高反应活性。
催化性能
纳米微粒可作为高效的催 化剂，应用于许多化学反 应中。
稳定性与相容性
通过表面修饰，纳米微粒 可以改善其在不同介质中 的稳定性和相容性。
研究和评估。
跨学科合作
纳米微粒的研究和应用涉及多 个学科领域，需要加强跨学科 的合作和交流，促进创新发展 。
技术瓶颈
目前纳米微粒的制备、表征和 应用技术还存在一些瓶颈，需 要加强技术研发和创新。
法规和伦理问题
随着纳米微粒的广泛应用，相 关的法规和伦理问题也逐渐凸 显，需要建立相应的规范和标
纳米材料与技术纳米微粒基本特性
第三章纳米微粒的基本特性一、纳米微粒的结构二、纳米微粒的基本特性热学、磁学、光学、动力学、表面活性、光催化性能一、纳米微粒的结构纳米态：物质的第?态！区别于固、液、气态，也区别于“等离子体态”（物质第四态）、地球内部的超高温、超高压态（物质第五态），与“超导态”、“超流态”也不同。
纳米态的物质一般是球形的。
物质在球形的时候，在等体积的条件下，它的界面最小、能量最低、自组织性最强、对称性也最高，有着很好的强关联性。
超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2nm）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体、十面体、二十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。
在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态。
尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。
纳米微粒一般为球形或类球形，可能还具有其他各种形状（与制备方法有关）。
纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同，内部的原子排列比较整齐，但有时也会出现很大的差别：高表面能引起表层(甚至内部)晶格畸变。
二、纳米微粒的基本特性1. 纳米微粒的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细微化后发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
大块Pb的熔点为600K，而20nm的的球形Pb微粒熔点降低288K。
Ag的熔点：常规粗晶粒为960︒C；纳米Ag粉为100︒C Cu的熔点：粗晶粒为1053︒C；粒度40nm时为750︒C纳米微粒的熔点降低：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全、活性大，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能比块体材料小得多，使纳米微粒的熔点急剧下降。
✍应用：降低烧结温度。
纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。
3. 纳米结构及物理特性
（2）蓝移和红移现象 (Red shift and blue shift)
由不同粒径的CdS纳米微粒 的吸收光谱看出，随着微粒 尺寸的变小而有明显的蓝移， 见右图。 体相CdS的禁带宽度较窄， 其吸收带在近红外区。但是 CdS体相中的激子(exciton)玻 尔半径较大（大于10nm）， 更容易达到量子限域．当其 尺寸小于3nm时，吸收光谱 移至可见光区。
(1)超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一 定临界值时进人超顺 磁状态，例如－Fe， Fe3O4 和－Fe2O3 粒 径 分 别 为 5nm ， 16nm和20nm时变成 顺磁体。
这时磁化率不再服 从居里一外斯定律
C T Tc
(3-1)
式中C为常数，Tc 为 居里(Curie)温度。
纳米微粒的力学性能
纳米金属的强度
纳米Pd、Cu等块体试样的硬度试验表明，纳 米材料的硬度一般为同成分的粗晶材料硬度 的2～7倍。由纳米Pd、Cu、Au等的拉伸试 验表明，其屈服强度和断裂强度均高于同成 分的粗晶金属。
纳米微粒的力学性能
纳米金属的塑性 在拉伸和压缩两种不同的 应力状态下，纳米金属的 塑性和韧性显示出不同的 特点。 在拉应力作用下，与同成 分的粗晶金属相比，纳米 金属的塑、韧性大幅下降， 即使是粗晶时显示良好塑 性的fcc金属，在纳米晶条 件下拉伸时塑性也很低， 常呈现脆性断口
居里温度
(Curie tem.)
居里温度Tc是物质磁性的 重要参数，通常与交换积 分Je成正比，并与原子的 构型和间距有关。 按照公式估算， V（K1+MsH）=25kBT 其中中V为粒子体积，K1 为室温有效磁各向异性常 数（5.8105erg/(c.c)。
3.纳米微粒的基本理论与特性2011
限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极 限 确立了现在微电子器件进一步微型化的极 限 例如，在制造半导体集成电路时，当电路 的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道 效应而溢出器件，使器件无法正常工作， 经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前 研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子 效应制成的新一代器件。（摩尔定律：集 成电路上晶体管的数量每隔18个月增加一 倍。）
纳米晶体结构：当超微粒子的尺寸与光波波 长、德布罗依波波长以及超导态的相干波长 或透射深度等物理特征尺寸相当时，晶体周 期性的条件被迫坏，点阵结构的周期性消失， 不再是原来意义的晶体。以金属为例，不但 能带变为离散能级，引起导电性能下降等物 理性质的变化，而且表面原子数显著增加， 表面原子是化学键不饱和原子，这类原子多 了会使粒子的化学活性(如催化性能)和表面能 显著增加。表面原子密度也显著减小，缺陷 显著增加。缺陷是指实际晶体结构中和理想 点阵结构发生偏差的区域。缺陷的存在使纳 米材料结构中的平移周期遭到很大破坏，严 重偏离了理想晶体的结构。
一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微 粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的 介电限域效应对光吸收、光化学、光学非 线性等会有重要的影响。因此，在分析材 料光学现象的时候，既要考虑量子尺寸效 应又要考虑介电限域效应。
界面相关效应
由于纳米结构材料中有大量的界面，与单晶材料相比， 纳米结构材料具有反常高的扩散率，它对蠕变、超塑 性等力学性能有显著影响；可以在较低的温度对材料 进行有效的掺杂，并可使不混溶金属形成新的合金相； 出现超强度、超硬度、超塑性等
如果量子点的尺寸为1nm左右，我们可以在 室温下观察到上述效应．当量子点尺寸在 十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮 温度下．原因很容易理解，体系的尺寸越 小，电容C越小，e2/C越大，这就允许我们 在较高温度下进行观察．由于库仑堵塞效 应的存在，电流随电压的上升不再是直线 介电限域效应
纳米微粒的物理特性
43
•TEOS + Cl3GeCH2CH2COOH → GeO2-SiO2 + H2 → Ge / SiO2 Temperature time Ge/Si Ge nanoparticles with various sizes
44
45
46
PL results from Ge clusters J. phys. Chem 2003, 107, 13319
例如：Pt纳米粒子的反射率为1%, Au纳米粒子的反射率小于10%。
23 这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
b.红外吸收带的宽化
纳米氮化硅、SiC、及Al2O3粉对红外有一个宽 频带强吸收谱。 这是由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数 下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不 同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在 一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下， 它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布， 这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。
的蓝移因素和红移因素共同作用的结果。
如果蓝移的影响大于红移的影响，吸收
带蓝移。
反之红移。
33
随着粒径的减小，量子尺寸效应会导致 吸收带的蓝移 但是粒径减小的同时，颗粒内部的内应 力会增加。 内应力 p = 2γ/r
r为粒子半径，γ为表面张力
34
这种内应力的增加，会导致能带结构的变 化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能 带间距变窄， 这就导致电子由低能级向高能级，即半导 体电子由价带到导带跃迁，引起的光吸收 带和吸收边也发生红移。 纳米NiO 中出现的光吸收带的红移时由于 粒径减小是红移因素大于蓝移因素所至。
47
掺CdSexS1-x纳米微粒的波动在530nm波长光的激
•TEOS + Cl3GeCH2CH2COOH → GeO2-SiO2 + H2 → Ge / SiO2 Temperature time Ge/Si Ge nanoparticles with various sizes
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PL results from Ge clusters J. phys. Chem 2003, 107, 13319
例如：Pt纳米粒子的反射率为1%, Au纳米粒子的反射率小于10%。
23 这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
b.红外吸收带的宽化
纳米氮化硅、SiC、及Al2O3粉对红外有一个宽 频带强吸收谱。 这是由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数 下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不 同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在 一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下， 它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布， 这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。
的蓝移因素和红移因素共同作用的结果。
如果蓝移的影响大于红移的影响，吸收
带蓝移。
反之红移。
33
随着粒径的减小，量子尺寸效应会导致 吸收带的蓝移 但是粒径减小的同时，颗粒内部的内应 力会增加。 内应力 p = 2γ/r
r为粒子半径，γ为表面张力
34
这种内应力的增加，会导致能带结构的变 化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能 带间距变窄， 这就导致电子由低能级向高能级，即半导 体电子由价带到导带跃迁，引起的光吸收 带和吸收边也发生红移。 纳米NiO 中出现的光吸收带的红移时由于 粒径减小是红移因素大于蓝移因素所至。
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掺CdSexS1-x纳米微粒的波动在530nm波长光的激
纳米材料的种类和性质
纳米材料的种类和性质摘要：本文简述了纳米材料的基本概念、种类和性质。
关键词：纳米材料；概念；性质；种类正文：1纳米材料概念：从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。
因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。
由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。
并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。
纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
2纳米材料种类：纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。
其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
2.1纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。
可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
纳米材料基本概念和分类
释制冷机的热交换器效率较相应的非纳米材料高30%。
磁性液体（magnetic liquids）是一种液态的磁性材料。该 材料既具有固体的磁性又具有液体的流动性。它是由粒径为 纳米尺寸（几个到几十个纳米）的磁性微粒，依靠表面活性 剂的帮助，均匀分散、悬浮在载液（基液加表面活性剂）中 ，构成的一种固液两相的胶体混合物，这种材料即使在重力 、离心力或电磁力作用下也不会发生固液分离，是一种典型 的纳米复合材料。
横行霸道
亿万年前，螃蟹并非如此“横行”。因其第一对触 角里有几颗磁性纳米微粒，螃蟹便拥有了用于定向 的几只小“指南针”。靠这种高精度的“指南针” ，螃蟹的祖先堂堂正正地前进后退，行定自如。后 来，由于地球的磁场发生多次剧烈倒转，螃蟹触角 里的那几颗珍贵的纳米小磁粒发生错乱，失去了正 确指示方向的功能。于是，晕晕乎乎的螃蟹便开始 横行，从此落得个蛮横的名声。
1厘米（centimetre）＝10毫米（miillimetre）
1毫米（miillimetre）＝1000微米（micrometre） 1微米（micrometre）＝1000纳米（nanometre） 1纳米（nanometre）＝1000皮米（picometre） 1皮米（picometre）＝1000飞米（femtometre）
研究表明，包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都 存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于 生物的定位与运动行为具有重要意义。最新的科学研 究发现，蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，这种磁性 的纳米粒子具有类似指南针的功能，蜜蜂利用这种“ 罗盘”来确定其周围环境，利用在磁性纳米粒子中存 储的图像来判明方向。当蜜蜂采蜜归来时，实际上就 是把自己原来存储的图像和所见到的图像进行对比， 直到两个图像达到一致，由此来判断自己的蜂巢。利 用这种纳米磁性颗粒进行导航，蜜蜂可以完成数公里 的旅程。
磁性液体（magnetic liquids）是一种液态的磁性材料。该 材料既具有固体的磁性又具有液体的流动性。它是由粒径为 纳米尺寸（几个到几十个纳米）的磁性微粒，依靠表面活性 剂的帮助，均匀分散、悬浮在载液（基液加表面活性剂）中 ，构成的一种固液两相的胶体混合物，这种材料即使在重力 、离心力或电磁力作用下也不会发生固液分离，是一种典型 的纳米复合材料。
横行霸道
亿万年前，螃蟹并非如此“横行”。因其第一对触 角里有几颗磁性纳米微粒，螃蟹便拥有了用于定向 的几只小“指南针”。靠这种高精度的“指南针” ，螃蟹的祖先堂堂正正地前进后退，行定自如。后 来，由于地球的磁场发生多次剧烈倒转，螃蟹触角 里的那几颗珍贵的纳米小磁粒发生错乱，失去了正 确指示方向的功能。于是，晕晕乎乎的螃蟹便开始 横行，从此落得个蛮横的名声。
1厘米（centimetre）＝10毫米（miillimetre）
1毫米（miillimetre）＝1000微米（micrometre） 1微米（micrometre）＝1000纳米（nanometre） 1纳米（nanometre）＝1000皮米（picometre） 1皮米（picometre）＝1000飞米（femtometre）
研究表明，包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都 存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于 生物的定位与运动行为具有重要意义。最新的科学研 究发现，蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，这种磁性 的纳米粒子具有类似指南针的功能，蜜蜂利用这种“ 罗盘”来确定其周围环境，利用在磁性纳米粒子中存 储的图像来判明方向。当蜜蜂采蜜归来时，实际上就 是把自己原来存储的图像和所见到的图像进行对比， 直到两个图像达到一致，由此来判断自己的蜂巢。利 用这种纳米磁性颗粒进行导航，蜜蜂可以完成数公里 的旅程。
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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
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）
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。
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。
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.
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。
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
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；
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
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
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%
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来自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
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
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
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
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。
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
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)
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。
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
纳米材料及分类
分类方式 类别