第四章 一维纳米材料
第四章 纳米材料的测试分析技术
第四章 纳米材料的测试分析技术 4.1 概述
纳米科学在20世纪 年代末进入繁荣时期是与一系列材 纳米科学在 世纪80年代末进入繁荣时期是与一系列材 世纪 料分析仪器和技术的发展密切相关的。 料分析仪器和技术的发展密切相关的。 20世纪 年代以后，电子显微镜技术被广泛采用。 世纪60年代以后 电子显微镜技术被广泛采用。 世纪 年代以后， 20世纪 年代初发明的扫描隧道显微技术及其衍生物 ， 世纪80年代初发明的扫描隧道显微技术及其衍生物 世纪 年代初发明的扫描隧道显微技术及其衍生物， 使人们考察材料在0.1-100nm尺度上的表面结构。 尺度上的表面结构。 使人们考察材料在 尺度上的表面结构 20世纪 年代初借助 世纪90年代初借助 世纪 年代初借助SPM技术已能搬动原子组成纳米结 技术已能搬动原子组成纳米结 构图案。 构图案。
4.2 电子显微分析
仪器操作复杂； 仪器操作复杂； 样品制备较复杂。 样品制备较复杂。 电子显微镜的种类主要有： 电子显微镜的种类主要有： 透射电子显微镜（ 透射电子显微镜（TEM） ） 扫描电子显微镜（ 扫描电子显微镜（SEM） ） 电子探针显微分析（ 电子探针显微分析（EPMA） ） 扫描透射电子显微镜（ 扫描透射电子显微镜（STEM） ）
第四章 纳米材料的测试分析技术 4.1 概述
现在使用高分辨率电镜及能谱技术进行材料组成分析的 空间分辨率已能达到0.5-1nm，使用聚焦离子束工作站已 ， 空间分辨率已能达到 能够对纳米碳管等基元进行电极焊接等微观加工操作， 能够对纳米碳管等基元进行电极焊接等微观加工操作 ， 使用STM已能够研究小尺寸纳米粒子的导电行为。 已能够研究小尺寸纳米粒子的导电行为。 使用 已能够研究小尺寸纳米粒子的导电行为 纳米材料的分析包括组分与结构的表征和性能的研究两 个方面。 个方面。
一维纳米材料制备
导热性能（声子传送特性） 当硅纳米线直径小于20 nm时，声子色散的关系可能会改
变（由声子局限效应造成），导致声波速度和热导率大大 低于标准值。分子动力学模拟还表明，在200K到500K的温 度范围内，硅纳米线的热导率比硅块低2个等级。
纳米线的特性及其应用
导电性能 尺寸下降导致导电性能的转变。如Bi纳米线在52nm时由金 属转变为半导体；Si纳米线在15nm时由半导体转变为绝缘 体
通过对一些氧化物纳米线（如SnO2) 电学输运性能（如 电导率）的检测，就可能对其所处的化学环境作出检测，可 用于医疗，环境，或安全检查。
纳米线的制备策略
问题：如何控制晶核（纳米颗粒）的尺寸和生长方向？
局限于特殊结 构的材料
VLS 机制
晶体结构的各项异性导致定向生 长。生长速率 Si {111}< Si{110}
• 液相自发组装
• 基于模板合成（模板法）
• 静电纺丝
纳米线的自发生长
• 气相法 - 气-固（VS）生长机理 - 气-液-固（VLS）生长机理
• 液相法 - 溶液－液相－固相机理 (SLS) - “毒化”晶面控制生长的机理（包覆法）； - 溶剂热合成方法。
气相法
在合成纳米线时, 气相合成可能是用得最多的方法。
气-固生长机理又称为位错机理，是通过气-固反应形核并长成纳米线的过程。 是一种经常采用的晶须生长机理。 气固机理的发生过程： • 通过热蒸发或气相反应等方法产生气相； • 气相分子或原子被传输到低温区并沉积在基底上； • 在基底表面反应、形核与生长，通常是以气固界面上微观缺陷 (位错、
孪晶等) 为形核中心生长出一维材料。
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
一维纳米材料的制备
的优点，被称为纳米多孔金属材料。
由于贵金属价格昂贵，且资源稀少，提高其利用率以减少其载量对催 化剂的设计非常重要。
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氮化碳除了具备高硬度和高弹性外，还具有耐磨损、防腐蚀、 耐高温等优异性能，其耐高温和化学稳定性要大大优于金刚石， 在机械加工领域具有良好的应用前景。 它还具有宽能带间隙、高热导、光学非线性，是制造半导体和 光学器件的候选材料，也有可能是一种理想的场致发射材料。
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3、石墨烯及其制备
2004年，英国曼切斯特大学科学家Geim A K等人，通过胶带反复剥离石墨片获得一个 原子厚度的石墨单片—石墨烯(graphene)。
石墨烯是普遍存在于其他碳材料中，并可以 看作是其他维度碳基材料的组成单元。
三维的石墨可以看作是由石墨烯单片经过堆 砌而形成；零维的富勒烯可看作由特定石墨 烯形状团聚而成；而石墨烯卷曲后就可形成 一维的碳纳米管结构。
先进材料的制备及加工技术
江苏大学材料科学与工程学院
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第三讲 一维纳米材料的制备
纳米线的制备
纳米柱的制备
碳纳米管制备
碳纳米管阵列制备
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第四讲 二维纳米材料制备
纳米薄膜简介
纳米薄膜制备技术
石墨烯及其制备
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1、纳米薄膜简介
典型的碳纳米管在溶液中易聚集成束，几乎不溶于任何溶剂，大大 限制了CNTs在各方面的应用。 近年来，人们利用表面活性剂的包裹作用或CNT 与大π共轭体系之 间的π- π相互作用，成功的将CNTs分散在不同溶剂包括水中。 经过化学反应修饰和各种官能化， 除能获得CNTs的分散液外，还 能增加其与基体的界面结合力，为CNTs的组装及表面反应提供了可 能，基于CNT分散液的诸多薄膜材料相继被成功开发。 由于具有优良的电子电导性、化学稳定性，以及高的比表面积等独 特的物理化学性能，CNT 薄膜可在化学催化、智能响应等领域得到 应用。
一维纳米材料的制备与性能研究
一维纳米材料的制备与性能研究纳米材料是指在纳米尺度下具有特殊性质和应用潜力的材料。
其中，一维纳米材料是指在至少一个维度上具有纳米尺度的材料。
一维纳米材料的制备与性能研究是纳米科学与纳米技术领域的重要研究方向之一。
一维纳米材料的制备方法多种多样，其中最常见的方法是化学合成法。
化学合成法通过控制反应条件和添加特定的助剂，可以实现对纳米材料形貌、尺寸和结构的精确调控。
例如，碳纳米管就是一种常见的一维纳米材料，它可以通过化学气相沉积法、电弧放电法等方法制备得到。
此外，金属纳米线、半导体纳米线等也是常见的一维纳米材料，它们可以通过模板法、溶液法等方法制备。
一维纳米材料的制备方法对其性能具有重要影响。
首先，制备方法可以影响纳米材料的形貌和尺寸。
例如，碳纳米管的直径和壁厚可以通过调控反应温度和碳源浓度来控制。
其次，制备方法还可以影响纳米材料的结构和组成。
例如，金属纳米线的晶格结构和晶面取向可以通过控制溶液中的配位剂和表面活性剂来调控。
最后，制备方法还可以影响纳米材料的表面性质和界面特性。
例如，通过在化学合成过程中加入特定的表面改性剂，可以实现对纳米材料表面的修饰，从而改变其表面能和化学活性。
一维纳米材料的性能研究是纳米科学与纳米技术领域的热点研究方向之一。
一维纳米材料具有独特的电子、光学、热学和力学性质，因此在能源、电子、光电和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
例如，碳纳米管具有优异的导电性和力学性能，可以用于制备高性能的导电材料和复合材料。
金属纳米线具有优异的电子输运性能，可以用于制备高性能的电子器件和传感器。
半导体纳米线具有优异的光学性能，可以用于制备高效的光电器件和光催化材料。
此外，一维纳米材料还具有较大的比表面积和较好的可控性，可以用于制备高效的催化剂和吸附材料。
在一维纳米材料的性能研究中，表征方法的发展起到了重要的推动作用。
传统的表征方法如透射电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射等可以用于观察纳米材料的形貌和晶体结构。
几种一维纳米材料的合成与物性分析的开题报告
几种一维纳米材料的合成与物性分析的开题报告
一维纳米材料具有独特的光、电、热、力学等物理特性，因此在纳米科技、光电子、化学、生物医学等领域应用广泛。
本文旨在研究几种一维纳米材料的合成方法和
物性分析。
首先，介绍一维纳米材料的定义。
一维纳米材料是指其在一个或两个维度上的尺寸小于100纳米，而在其他维度上形态保持不变的材料。
常见的一维纳米材料包括纳
米线、纳米管、纳米棒、纳米丝等。
其次，探讨一维纳米材料的合成方法。
现有的一维纳米材料合成方法包括溶液法、气相法、电化学法等。
其中，溶液法可以通过控制溶剂、表面活性剂、催化剂等来实
现一维结构的合成；气相法常用于合成单晶纳米线和纳米管；电化学法则可控地合成
直接交错、分立和混合的纳米线阵列，并可实现不同材料之间的嫁接。
最后，介绍一维纳米材料的物性分析方法。
一维纳米材料的物性分析包括多种方法，如透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等。
通过这些方法，可以分析纳米材料的晶体结构、形貌、尺寸、成分、光学、电学等物性。
本文将从以上几个方面展开研究，并通过实验和理论搭配，深入探讨几种典型一维纳米材料的制备方法和物性分析，为一维纳米材料的应用提供理论支持。
化学气相沉积法制备其他一维纳米材料
化学气相沉积法制备其他一维纳米材料化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种常用的制备纳米材料的方法。
它是一种在高温环境下，通过在气相中化学反应形成纳米材料的过程。
该方法具有材料成分可控、沉积速度快、制备尺寸可调控等优点，在制备一维纳米材料方面也得到了广泛应用。
一维纳米材料是指其在一个方向上尺寸远小于其他两个方向的材料。
常见的一维纳米材料包括纳米线、纳米棒和纳米管等。
下面将介绍几种常见的一维纳米材料的制备方法及其在化学气相沉积中的应用。
一、碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）碳纳米管是由碳原子通过碳-碳键连接形成的一维纳米材料。
碳纳米管具有优异的电子传输性能和力学性能，因此在纳米电子器件、传感器、储氢材料等领域具有广泛应用。
碳纳米管的制备可以通过化学气相沉积方法实现。
主要步骤包括：将催化剂（如金属颗粒）沉积在基底上，然后将含有碳源（如甲烷气体）的气体通过加热分解的方式使其在催化剂表面发生化学反应，最终在催化剂表面成长碳纳米管。
二、二氧化硅纳米线（Silicon Dioxide Nanowire，SiO2 Nanowire）二氧化硅纳米线是由二氧化硅材料形成的一维纳米材料。
SiO2纳米线具有优异的光学、电学和力学性能，并且可以制备出具有不同形态和尺寸的纳米线。
制备SiO2纳米线的方法中，化学气相沉积是一种常用的方法。
通常采用的方法是，在高温气氛中，使硅烷类气体（如SiH4）在金属催化剂的作用下分解并发生氧化反应，从而在催化剂表面沉积出纳米尺寸的SiO2纳米线。
三、金属氧化物纳米棒（Metal Oxide Nanorod）金属氧化物纳米棒是由金属氧化物材料形成的一维纳米材料。
金属氧化物纳米棒具有优异的光学、电学和催化性能，可用于光电器件、催化剂和传感器等领域。
以上介绍的碳纳米管、二氧化硅纳米线和金属氧化物纳米棒只是化学气相沉积法制备一维纳米材料的几个例子，实际上化学气相沉积方法还可以制备其他一维纳米材料。
一维半导体纳米材料的制备及应用
一维半导体纳米材料的制备及应用近几十年来人们对于地球上最普遍的金属氧化物氧化铁,尤其是赤铁矿即a-Fe2O3颇有研究。
特别是它在相对的结合窄带和相关可见光吸收,天然丰富度、低成本、和有害化学条件下的稳定等方面的特征使得它适合许多潜在的应用。
纳米结构的赤铁矿为克服的一些限制提供了可能性,从而达到控制其结构光学和电学性能。
在本文中,我们概述近期的进展合成和表征纳米赤铁矿,强调电荷载体动力学和光电化学性质。
还讨论了当前的挑战和未来的机会。
第一章.介绍人口的快速增长导致了人们对能源的需求不断增长。
多年来,我们满足于能源需求利用两个主要来源:天然气和原油。
然而,这不是长久之计。
因此,重中之重是寻求可再生能源和可持续能源。
世界上存在很多种类的可持续能源,包括太阳能、风能、水力发电和地热能。
因为大量的能源存在，使太阳能的高效转换尤为重要。
每年到达地球表面的太阳能量约125000TW 。
其中能成功的被利用仅仅0.04%的太阳能为全球生产50TW 的能量，就足以覆盖全球能源需求太阳能可以转化成电能或提供化学能储存在燃料氢气。
与化石燃料相比,氢代表一个潜在的高效率环保燃料。
1-4由于其低密度()1089.0-≈gL ,氢的能量密度高于其他燃料来源,比如汽油。
事实上,单位重量的氢生产的能量大约是甲烷的四倍。
此外,氢燃料电池发电的原理是氢作为化学燃料与氧气反应，该反应的产物是水。
因此,企业寻找生产氢的有效方法是非常可取的。
光电化学(PEC)分裂水代表一个有前途且环保的太阳能生产氢的方法,已经被研究了几十年。
更多的重要的是,水不会分裂是一个干净的反应不会生产不受欢迎的含碳副产品。
水分解热力学是一个吸热过程,是由()()()()NHE Vvs E kJmol G O H O H g g .23.1,2.23721012212=≈∆+→- 最小的潜力需要1.23V 的反应继续下去。
在这方面,一个PEC 的细胞至少由一个半导体光电极组成,而PEC 在直接利用太阳能能量使水分裂的过程中是必要的。
一维纳米材料的结构与性能研究
一维纳米材料的结构与性能研究纳米材料是一种尺寸在纳米尺度范围内的材料，其特殊的尺寸效应和表面效应使其具有许多独特的物理、化学和力学性能。
在纳米材料中，一维纳米材料是一种具有高度纳米化特征的材料形态，其在纳米科技领域具有广泛的应用潜力。
一维纳米材料的结构特征主要包括形态、尺寸和结晶度等方面。
形态上，一维纳米材料可以是纳米线、纳米柱、纳米管等形状。
尺寸上，一维纳米材料的直径通常在几纳米到几十纳米之间。
结晶度上，一维纳米材料由于尺寸受限，其晶体结构往往具有独特的纳米结构。
一维纳米材料的性能研究主要涉及其力学性能、电子性能和光学性能等方面。
在力学性能方面，一维纳米材料由于其尺寸效应和表面效应的影响，具有优异的力学性能，如高强度、高韧性和高模量等特点。
在电子性能方面，一维纳米材料的电子输运性质和能带结构可以通过调控其尺寸和形状来实现，从而具备优异的电子传输性能和电子结构调控能力。
在光学性能方面，一维纳米材料具有较大的比表面积，使其对光敏感度较高，并且可以通过调节其尺寸和形状来实现光学特性的调控，如表现出明显的量子限域效应和光学量子限域效应。
一维纳米材料的结构与性能研究主要依赖于一系列表征手段和研究方法。
在结构表征方面，常用的手段包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱等。
这些技术可以提供一维纳米材料的形态、尺寸、晶体结构和表面形貌等重要信息。
在性能研究方面，常用的手段包括力学测试、电学测试和光学测试等。
这些测试方法可以评估一维纳米材料在力学、电子和光学性能方面的表现，并帮助揭示其内部机制。
在一维纳米材料的研究中，材料的制备是关键的一步。
当前常用的制备方法包括物理气相沉积、溶液法、化学气相沉积和电化学方法等。
这些方法可以根据不同的材料和需求来选择合适的制备过程和参数，以获得具有良好结构和性能的一维纳米材料。
同时，材料的后续处理和修饰也是研究中不可忽视的环节，可以通过表面修饰、掺杂等方式对一维纳米材料进行功能化改进。