纳米材料和纳米结构第讲
纳米材料的结构特征
纳米材料的结构特征一、概论纳米材料是新型结构材料的一种，主要是指材料的基本结构单元至少有一维处于纳米尺度范围(一般在11100 nm)，并由此具有某些新特性的材料。
纳米材料相对于其他材料而言有五大物理效应即：体积效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和介电限域效应，这五大效应成就了纳米材料的诸多优势，这里就不一一介绍了。
纳米材料相对于其他材料的优势正是因为其结构的特点，下面讲述纳米材料的结构特征。
二、自然界中存在的纳米材料早在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了，比如，那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的，所以才千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才那样坚硬；植物和头发是一纳米一纳米生长的，所以才那样柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才能不沾水，就连人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂。
在地球的漫长演化过程中，自然界的生物，从亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到诡异的海星，从飞舞的蜜蜂、水面的水黾，到海中的贝壳，从绚丽的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到显微镜才能看得到细菌…应该说，它们个个都是身怀多项纳米技术的高手。
它们通过精湛的纳米技艺，或赖以糊口，或赖以御敌，一代一代，在大自然中地顽强存活着，不仅给人们留下了深刻的印象，而且给现代的纳米科技工作者带来了无数灵感和启示。
三、纳米材料的概论1、纳米材料：纳米材料是指三维空间尺度上至少有一维处于纳米量级或由它们作为基本单元构成的材料。
2、纳米科技：纳米科技(纳米科学技术)是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及利用这种特性开发新产品的一门科学技术。
3、纳米结构单元：构成纳米材料的结构单元包括限定的团簇或人造原子团簇、纳米微粒、纳米管、纳米棒、纳米丝、同轴纳米电缆、纳米单层膜及多层膜等。
（1）原子团簇指几个至几百个原子的聚集体，如Fen，CunSm，CnHm（n和m都是整数）和碳簇（C60，C70和富勒烯等）等。
纳米材料【可编辑全文】
可编辑修改精选全文完整版绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。
Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。
2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。
（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。
4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。
分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。
5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。
可用于研究半导体、导体和绝缘体。
AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。
6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。
第三章 纳米材料的特性
（一）纳米材料的结构与形貌ZnO nanotube （一）纳米材料的结构与形貌1D ZnO nanostructures 热学性能电学性能磁学性能光学性能开热学性能开始烧结温度下降开始烧结温度下降TiO2微粒的烧结与尺寸关系纳米颗粒的晶化温度降低电阻特性介电特性压电效应电阻特性纳米金属与合金的电阻Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行与常规材料相比，Pd纳米相固体z 随颗粒尺寸减小，电阻温度系Pd纳米固相的电阻温度系数与尺寸的关系例如，纳米银细粒径20nm18nm11nm纳米金属与合金的电阻电阻特性电阻特性介电特性是材料的基本物性•介电常数：•最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自己的特点。
介电特性减小明显增大。
在低频范围内远高于体材料。
介电特性目前，对于不同粒径的纳米非晶氮化硅、纳米钛矿、金红石和纳米（个损耗峰．损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。
7nm27nm 84nm 258nm介电特性压电效应压电效应纳米压电电子学(Nanopiezotronics)全新研究领域和学科,有机地把压电效应和半导体效应在纳米尺度结合起来高磁化率超顺磁性：当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将外磁场去掉，由于介质中的掺杂内应力阻碍磁畴恢复到原来的纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力右图为用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒居里温度降低居里温度降低居里温度降低随粒径下降而减小，根据铁磁学，原子间距减小会随着粒径减小而对9nm Ni微粒：高磁化率巨磁电阻效应z 巨磁电阻效应巨磁电阻效应纳米材料磁学特性小结纳米材料光学特性宽频带强吸收粒子的反射率为1％，Au 纳米粒子的反射率小于10％。
纳米氮化硅对红外有一个宽频强吸收谱纳米氮化硅红外光谱Si3N4热压片的红外吸收谱Si-N 键伸缩震动宽频带强吸收吸收光谱的兰移现象吸收光谱的兰移现象激子吸收带吸收光谱的红移现象吸收光谱的红移现象：激子吸收带纳米颗粒发光现象上图曲线1和2分别为掺了粒径大于10 纳米和5纳米的CdSexS1-x的玻璃的光吸收谱，尺寸变小后出现明显的激子峰。
纳米材料的基本概念与性质
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒 尺寸减小而增大。
如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；当温度为1K， Ag纳米粒子直径小于14nm，Ag纳米粒子变为绝缘体。
合成了一维氮化硅纳米 线体。
氮化硅纳米丝
31
1.2 纳米微粒的基本性质
1.电子能级的不连续性 - kubo理论 2. 量子尺寸效应 3. 小尺寸效应 4. 表面效应 5. 宏观量子隧道效应
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这一 理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子 的量子尺寸效应进行了深入分析。
碳纳米管的发现
❖ 饭岛澄男(Iilijima Sumio)分别在1991 和1993年发表论文
❖ “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ”
❖ “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。
制备C60常用的方法：
采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
纳米材料应用(目前最全详细讲解)
无机非金属材料
无机非金属材料指某些元素的氧化物、 碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包 括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸盐、钛 酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组
成的无机材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐 火材料、搪瓷及天然矿物材料等。
第五页，共141页。
传统无机非金属材料
第十八页，共141页。
纺织瓷件
氧化铝陶瓷电阻
第十九页，共141页。
氧化铝髋关节
第二十页，共141页。
高压钠灯
高纯氧化铝透明陶瓷管
第二十一页，共141页。
氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的性能：作为一种理想的高温结构材料，最
主要的应具备如下性能：（1）强度好、韧性好；（2）抗氧化 性好；（3）抗热震性好；（4）抗蠕变性好；（5）结构稳定性 好；（6）抗机械振动。
水泥 水泥呈粉末状，当它与水混合后成为可
塑性浆体，经一系列物理化学作用凝结硬化 变成坚硬石状体，并能将散粒状材料胶结成
为整体。水泥浆体不仅能在空气中硬化，还 能在水中硬化、保持并继续增长其强度，故 水泥属于水硬性胶凝材料。
第六页，共141页。
玻璃 玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非晶
态固体。其内能和构形熵高于相应的晶体。其 结构为短程有序，长程无序。从熔融态转变为
（2）特种玻璃
随着社会和科学的发展，在玻璃材料科学领域中，由于某些新品种 是根据特殊用途专门研制的，其成分、性能、制造工艺均与一般工业和 日用玻璃有所差别，它们往往被归入专门的一类，叫做特种玻璃。这些
特种玻璃逐渐脱离了传统玻璃的基础系统范围。常见的特种玻璃有光子 学玻璃、微晶玻璃、生化玻璃、溶胶－凝胶玻璃等。
开辟了新的空间。化学与材料保持着相互依存、相互促进的关系。
第3章-纳米结构单元概述
单壁碳纳米管: • 根据螺旋角 θ 的不同存在三种类型的结构： • 分别称为单臂碳纳米管armchair、锯齿形 碳纳米管 zigzag 和手性形碳纳米管 chiral 。
2. 团簇的分类： 根据团簇的组成可以分为： (1)一元团簇，如：Nan, Nin，C60, C70 (2)二元团簇，如：InnPm, AgnSm (3)多元团簇，如：Vn(C6H6)m (4)原子簇化合物，是团簇与其它分子以配位键结合形成 的化合物(例如，某些含Fe-S团簇的蛋白质分子)。
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也 不同于分子间以弱的相互作用结合而成的聚集 体以及周期性很强的晶体。
4）巴基葱
1992年瑞士联邦大学的D.Vgarte等人用高强度电子束对碳棒长 时间照射，得到洋葱状富勒烯，称为巴基葱(bucky-onion)，中 心是C60分子，其外围由具有240－540和960个原子的富勒烯原 子层封闭叠套起来，形成一层套一层的洋葱状结构。巴基葱的 层面有的可多达70多层(图)。层间距约0.334 nm，直径可达 47nm。
• 根据具体形状可以分为：纳米棒、纳米管、纳米 线、纳米带、纳米螺旋、同轴纳米电缆等。
• 纳米棒：纵横比 ( 长度与直径的比率 ) 小，截面 为圆形。一般小于20。 • 纳米线：纵横比大，截面为圆形。 • 纳米带其截面为长方形。
• 同轴纳米电缆： 芯部为半导体或导体的纳米线，外包异质纳米壳 体（半导体或导体），外部的壳体和芯部线是同
团簇的幻数序列与构成团簇的原子键合方式有关： • 金属键来源于自由价电子， • 半导体键是取向共价键， • 碱金属卤化物为离子键， • 惰性元素原子间的作用为范德瓦尔斯键。
2. 原子团簇的奇异的特性： • • • • • • 1）极大的比表面积。 2）异常高的化学和催化活性。metal 3）光的量子尺寸效应和非线性效应。 4）电导的几何尺寸效应。carbon 5）C60掺杂及掺包原子的导电性和超导性。 6）碳管、碳葱的导电性。
纳米材料的介绍
纳米材料的介绍一、纳米材料概述纳米材料是指纳米级尺寸的材料，具有良好的化学、光学等性能。
纳米材料泛指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。
根据物理形态的不同，纳米材料可划分为五类：纳米薄膜、纳米粉体、纳米纤维、纳米块体、纳米相分离液体。
纳米材料的性能一般由量子力学决定，其光、电、磁、热性能与普通材料存在明显的差异。
相较于传统材料制品，纳米材料制品在光学、热学、力学、化学等性能方面具有明显优势。
从概念来说，纳米材料是由无数个晶体组成的，它的大小尺寸在1-100纳米范围内的一种固体材料。
主要包括晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料组成。
因为它的大小尺寸已经接近电子的相干长度，它有着特殊的性质。
这些特殊性质所表现出来的有导电、导热、光学、磁性等。
目前国内、国际的科学家都在研究纳米材料，试图打造一种全新的新技术材料，将来为人类创造更大的价值。
二、纳米材料定义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、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。
由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。
因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。
纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入地认识。
三、纳米材料的性质1、"强" 在电子，医保，环保，能源等领域具有更多的优势。
2、"高" 适用纳米材料制作的器材，拥有更高的耐热，导电，高磁导性，可塑性。
3、"轻" 纳米材料更加轻更加便利，体积变小的同时还可以提高效率。
第二章-纳米及其基本性质
3
2.1 维数
0维： 指在空间3维尺度均在纳米尺度
1维：指在空间有2维处于纳米尺度
2维：指在空间中有1维在纳米尺度
3维：纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料
A
B
C
4
2.1 维数 0维： 指在空间3维尺度均在纳米尺度
1985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C60 团簇，也叫巴基球，C60直径大约是1纳米。 5
第二章 纳米材料及其 基本性质
1
第一节 纳米材料
一、纳米材料学 关于纳米材料的性质、合成、结构及其变化规
律和 应用的一门学科。
纳米粉体材料及其衍生材料的工艺技术路线
结构与性能的关系
基础应用等
2
二、纳米材料
三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材 料或
由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材 料。
金纳米微粒的粒径与熔点的关系
33
物质熔点下降的程度： T 2 slT0 rH
△T：块状物质熔点(T0)与纳米颗粒熔点(T)之差；
γSL ：为固液界面张力；
ρ：密度；△H为熔化热；r为颗粒粒径。
纳米颗粒熔点下降的原因： 熔化时所需增加的内能小得多，这使得纳米颗粒 熔点急剧下降。
34
2、纳米颗粒的蒸汽压 上升
被电子占满的允许带称为满带，每一个能 级上都没有电子的能带称为空带
54
价带（Valence Band）：原子中最外层的电 子称为价电子，与价电带。 导带（Conduction Band）：价带以上能量 最低的允许带称为导带。 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表 示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔为禁带Eg
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德国政府
纳米技术是21世 纪高科技的制高点 。宣布成立跨部门 的六大科学研究中 心,协作发展纳米 技术。
第一次纳米研究热潮的到来（3）
印度
其
要像抓软件产业那样，
他
快速发展纳米技术。
国
家
行
韩国
动
2001年成为对纳米技术投
入增长最快的国家。
第一次纳米研究热潮的到来（4）
中国：决战纳米时代
2000年7月中央政治局全体委员听取中科院有关纳米技 术的报告，提出决战纳米时代的指示
纳米制备与测试技术发展（2）
扫描电子 隧道显微 镜：装置、 针尖、加 工图案
纳米制备与测试技术发展（3）
单晶硅（111）表面原子排列
单晶铜表面C60分子纳米算盘
纳米制备与测试技术发展（3）
单晶铜（111）表面原子排列
制备与测试技术发展（4）
用扫描隧道显微镜针尖在铜表面上搬运48个铅原子组成的电子栅栏
装纳米结构，北京，化学工业出版社（2005年1月） 5、朱静等，纳米材料和纳米器件，北京，清华大学出版社（2003年4月） 6、J. H. 芬德勒（美）著，项金钟，吴兴惠译，纳米粒子与纳米结构薄膜，
北京，化学工业出版社（2003年8月）
课程的主要内容及授课方法
主要内容
纳米材料的基本概念 纳米材料的主要制备技术 纳米材料的结构及其表征技术 纳米材料的物理性能 纳米材料的应用
纳米科技领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学 2000年后，纳米物理与纳米器件提出、原理性器件研制和评价体系
纳米制备与测试技术发展
自然界天然形成的纳米材料，人类无意识制造及使用的纳米材料与技术 1931年，英国物理学家E. Ruska和M. Knoll发明电子显微镜 1968年，美国贝尔实验室A. Y. Cho和J. Arthur发明分子束外延技术 1981年，德国物理学家 H. Gleiter发明金属纳米粉体真空蒸发冷凝制备法 1982年，IBM实验室G. Binig, H. Rohrer 发明扫描隧道显微镜（STM） 1985年，日本物理学家H. W. Kroto发明富勒烯制备技术 1990年，英国物理学家L. T. Canham发明纳米多孔硅制备技术 1991年，日本物理学家Sumio Lijirma发明碳纳米管制备技术 1998年，荷兰物理学家C. Dekker制备出基于碳纳米管的纳米晶体管 1999年，美国物理学家J. M. Tour 和M. A. Reed制备出纳米单分子开关 进入21世纪以来，纳米功能材料与器件研究飞速发展
美国政府
发布“国家纳米技 术倡议（NNI）” ；同时，成立隶属 于美国国家技术委 员 会 （ NCT ） 的 国家纳米科学、工 程与技术分委员会 （SNSET）
第一次纳米研究热潮的到来（2）
日本、德国立即出台相应研究计划
日本政府
要像抓微电子技术 那样很抓纳米技术 ……，把发展纳米 技术作为21世纪前 20年日本的立国之 本。
材料是人类社会发展的里程碑
石器时代（the Stone Age）：石材 陶器时代（the Pottery Age）：陶器 青铜器时代（the Bronze Age）：青铜 工业革命时代（the Industrial Revolution Age）：钢铁 信息时代（the Information Age）：晶体硅
2010 - 2011学年第二学期课程
纳米材料和纳米结构
2008级 应用物理学专业
个人介绍
李新建 物理工程学院 材料物理教育部重点实验室
电 话：； 电子邮件： 办公地址：南校区物理科研楼320房间
主要参考书
1、陈乾旺，纳米科技基础，北京，高等教育出版社（2008年1月） 2、施利毅，纳米材料，上海，华东理工大学出版社（2007年1月） 3、陈敬中，刘剑洪，纳米材料科学导论，高等教育出版社（2006年8月） 4、张金中，王中林，刘俊，陈少伟，刘刚玉著，曹茂盛，曹传宝译，自组
---- John Maddox，《Nature》杂志前主编
报告内容
材料研究的重要性 纳米材料的研究历史 纳米材料的科学内涵 纳米材料的研究意义 纳米材料面临的挑战
第一部分 材料研究的重要性
主导21世纪科学与技术的四个关键领域 信息科学 Information Science 生命科学 Life Science 环境科学 Environmental Science 纳米科技 Nanoscience & Nanotechnology
第一次纳米研究热潮的到来
2000年 美国启动纳米技术促进计划
W. J. Clinton
美国总统
“我正在支持一项 对美国未来经济和 发展将产生深远影 响的纳米技术，它 是21世纪最重要、 应该优先发展的计 划……”。
N. Lane
科学技术总统助理
“如果人们问我哪个 科学和工程领域最有 可能在未来产生突破 性成就，我认为会是 纳米科学和工程” 。
1959年，R. P. Feynman发表有关纳米科技的著名演讲 1962年，日本物理学家 Kubo, 建立 Kubo 理论 1974年，日本物理学家 Taniguchi
提出纳米技术（Nanotechnology）的概念 1981年，德国物理学家 H. Gleiter
提出固体纳米结构（Nanostructure of Solid）的概念 1990年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）
授课方法：讲述 + 专题讲座
纳米材料与纳米科技 ---内涵、意义与挑战
李新建 材料物理教育部重点实验室
2011年02月22日
关于物理学：一个错误但曾经流行的观念
目前有一个广为流行但是非常错误的观念：那 就是认为物理学作为一个有基础科学意义和探索 价值的研究领域已经大为过时。
然而真正的事实是，在现代物理学领域，亟待 我们去忘我探索的科学规律和我们已经探知的科 学规律一样多。
第二部分 纳米材料的研究历史
纳米科技的提出：一个神奇的梦想
人物：Richard. P. Feynman (1965年Nobel物理奖得主)
时间：1959年12月25日
地点：美国加州理工学院
There is a plenty of rooms at the bottom
纳米概念的提出、建ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ与发展