无机化学-一维纳米材料合成.ppt
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一维纳米材料制备
为高强复合材料的填料（与碳纳米管类似）。
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
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
第六章_纳米材料的制备和合成.ppt
（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总
原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性 质上的变化。
Relationship between the ratio of the surface atoms to whole atoms and particle size
（2）量子尺寸效应 当粒子尺寸极小时，费米 能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立 能级的现象。
Earth 1.2 x 107 m
什么是纳米(nanometer)？
•
In Greek, “nano” means dwarf
• 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9 米。 人高 针头 红血球 分子及DNA 氢原子 100万 纳米 1千 纳米 1 纳米 20亿 纳米
0.1 纳米
什么是纳米(nanometer)？
社会意义：
Earth 1.2 x 107 m
（1） 纳米是新的物质观，新的方法论； （2） 纳米是社会实践体系
a. 掀起广泛深入的社会实践活动 b. 各国政府纷纷纳入战略规划 c. 纳米技术的产业化实践
什么是纳米结构(nanostructure)？
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑 或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。
ZnO Materials Letters 59 (2005) 1696–1700
Nano peapod
high-resolution, low-temperature scanning tunneling microscope (STM) (Science----1 February 2002)
纳米科技是一个多学科交叉 的前沿领域，各科学部分别 从不同角度予以了资助
第四章-一维纳米材料ppt课件
16
Au-Ag-Au-Ag nanowire
17
1.3 硬模板：碳纳米管(carbon nanotubes)
用于制备碳化物纳米棒的反应路线示意图
18
碳纳米管
以碳纳米管为模板合成的
GaN纳米线
19
1.4 硬模板：外延模板法
“外延模板法”制备单晶GaN 纳米管的过程示意图 20
A) TEM images of Ag/SiO2 coaxial nanocables that were prepared by directly coating silver nanowires with an amorphous silica sheath using the sol-gel method.
10
1.2 硬模板：多孔氧化铝膜(AAO)
结构特点是孔洞为六边形或圆形且垂直于膜面，呈 有序平行排列。孔径在5至200nm 范围内调节，孔密 度可高达1011 个/cm2。
184nm
477nm
666nm
11
利用AAO模板合成纳米材料
沉积
电抛光 纳米棒
阳极氧化
Al 纳米有序阵列复合结构
纳米管
纳米粒子
32
2.6 软模板法特点： (1) 模拟生物矿化； (2)软模板的形态具有多样性； (3)容易构筑，不需要复杂的设备； (4)稳定性较差，模板效率不够高。
33
2.7 模板法制备纳米材料的比较 共性：能提供一个有限大小的反应空间 区别：硬模板提供的是静态的孔道,物质只能从开口
处进入孔道内部 软模板：提供的则是处于动态平衡的空腔,物质可以
杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。 57
碳60超导体
C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子，
Au-Ag-Au-Ag nanowire
17
1.3 硬模板：碳纳米管(carbon nanotubes)
用于制备碳化物纳米棒的反应路线示意图
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碳纳米管
以碳纳米管为模板合成的
GaN纳米线
19
1.4 硬模板：外延模板法
“外延模板法”制备单晶GaN 纳米管的过程示意图 20
A) TEM images of Ag/SiO2 coaxial nanocables that were prepared by directly coating silver nanowires with an amorphous silica sheath using the sol-gel method.
10
1.2 硬模板：多孔氧化铝膜(AAO)
结构特点是孔洞为六边形或圆形且垂直于膜面，呈 有序平行排列。孔径在5至200nm 范围内调节，孔密 度可高达1011 个/cm2。
184nm
477nm
666nm
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利用AAO模板合成纳米材料
沉积
电抛光 纳米棒
阳极氧化
Al 纳米有序阵列复合结构
纳米管
纳米粒子
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2.6 软模板法特点： (1) 模拟生物矿化； (2)软模板的形态具有多样性； (3)容易构筑，不需要复杂的设备； (4)稳定性较差，模板效率不够高。
33
2.7 模板法制备纳米材料的比较 共性：能提供一个有限大小的反应空间 区别：硬模板提供的是静态的孔道,物质只能从开口
处进入孔道内部 软模板：提供的则是处于动态平衡的空腔,物质可以
杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。 57
碳60超导体
C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子，
一维无机纳米结构的合成方法综述
合成过程相对简单 ， 很多方法适合批量制备 ；３ 具 （）
有较 高 的稳定 性和 良好 的空 间 限域 作 用 ， 严 格 地 能 控制 纳米 材料 的大 小 、 貌 和分散 稳定 性 ；４ 形 （ ）特 别
适 合一 维 纳米材 料 ， 如纳 米线 （ ａ ｏ ｒｓ ｎ ｎ ｗｉ ，ＮＷ ） 纳 ｅ 、 米管 （ ａ ｏｕ ｅ ，ＮＴ） 纳 米 带 （ ａ ｏ ｅｔ）的 ｎ ｎ ｔｂ ｓ 和 ｎｎ ｂ ｌ ｓ
（． 陵浩 荣电子科 技有 限公 司 ， １铜 安徽 铜陵 ２ ４ ０ ￣． ４ ０ ０ ２ 合肥师范学院 化学 化工 系， 安徽 合肥 ２Ｏ ６ ） ３ Ｏ １
［ 摘
要］综述 了一维无机纳米材料的各种制备 方法 ， 如各 向异性晶体结构物质 的取 向生长、 基底表 面的 台阶边缘 、 利用
表面活性剂液相 组装介观 结构 的界 面模板及 纳米 结构模 板合成技 术等 ， 对这 些方法进行 了归纳 和总结 ， 以评论 和估价 ， 加 并
此 ， 米 微 粒 在 电子 材 料 、 学 材 料 、 化 、 性 材 纳 光 催 磁 料、 生物 医学材 料 、 涂料 等方 面有广 阔 的应 用前 景 。
ｕ） ｐ 的方 法 ， 即通 过 适 当 的化 学 反 应 ， 分 子 、 从 原
子 出发 制备 出纳 米材料 ， 方法既 有设备 简单 、 该 条件
由于纳 米微粒 的小 尺寸 效应 、 表面 效应 、 子 尺 量
物理方 法 主要有 蒸发沉 淀法 和物理 粉碎 法等 。化学
方法一 般采 用费 曼 １ ５ ９ ９年提 出的 自下 而上 （ ｏｔｍ ｂｔ ｏ
—
寸 效应 和宏 观 量 子 隧 道 效 应 等 使 得 它 们 在 磁 、 、 光 电、 敏感 等方 面呈 现 出常 规 材料 不 具 备 的特 性 。因
无机化学绪论ppt课件
小组在磁分子材料 究组在新型一维纳
的研究方面取得了 米结构的制备、组
突出成果。
装方面取得了突出
的进展
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22
INORGANIC CHEMISTRY
我国无机化学发展情况
无机化学在最近几年里所取得的突出进 展主要表现在固体材料化学、配位化学 方面，在某种程度上与国际保持同步发 展。从传统的无机化学角度来看，生物 无机化学和放射化学的研究则相对滞后。
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32
INORGANIC CHEMISTRY
2.量纲
(1)量 （quantity ） 现象、物体或物质可定性区别和定量确定的属 性。分为一般意义的量和特定量。 一般意义的量如长度、时间、质量、温度、电 阻、物质的量浓度 ；特定量如某根棒的长度， 某根导线的电阻，某份酒样中乙醇的浓度。
第六章 沉淀溶解平衡 (4学时) 第七章 氧化还原反应 电化学基础
第八章 原子结构 (5学时) 第九章 分子结构 (4学时) 第十章 固体结构 (5学时) 第十一章 配合物结构 (2学时)
(7学时)
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25
INORGANIC CHEMISTRY
四、本课程的学习要求
1.课前要求预习，上课认真听讲并作好笔记。 2.考试成绩占70%；平时作业和测验占20%；
生长起来的。
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13
无机材 料化学
稀土元 素化学
配位 化学
金属有 机化学
无机化学
无机合 成化学
物理无 机化学
固体无 机化学
生物无 机化学
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14
二、化学前沿
21世纪化学也面临四大难题
第一合成化学难题
一维纳米材料
当下列等式成立时，二维成核便开始进行
（P/Pe）crit=exp(πhΩγ2/65k2t2) 式中： P ——晶须晶体表面附近气相压力，Pa； Pe——晶体表面附近气相处于平衡状态时的压力， Pa； γ ——晶体表面能，J/m2； Ω ——分子体积，m3； K ——Boltyman 常数，1.38×10-23 J/K； T ——热力学温度，K。
“电介质差异模型”（Dielectric Contrast Model）来
4.3 碳纳米管
围成纳米管截面圆周的手性矢量AA’
纳米管的结构示意图
4.3.2 碳纳米管的制备
石墨棒直流电弧放电法制备碳纳米管的工艺装置示意图
掺硼（B）硅纳米线场效应晶体管电流I 和电压Vsd 的关系曲线
4.2.2 单根纳米线的光学性质
纳米线取向、尺度大小与电子态密切相关， 因而会在光谱上表现出它们之间的依赖关系。
不同直径的单根InP 纳米线的光致发光（PL）谱（a，b） 及其有效质量模型（EMM）模型拟合数据（c，d）
单根InP 纳米线的光致发光谱呈现的偏振 各向异性
2SnO(g) ⇔ Sn（l）＋SnO2 SnO2(s) ⇔ SnO(g)＋1/2O2
自催化VLS 生长方法合成掺锡氧化铟 （In2O3:Sn， ITO）纳米线
4.1.1.2 纳米线异质结（超晶格）的合成
GaAs/GaP 纳米线异质结
GaP/GaAs 纳米线超晶格
4.1.2 液相法制备
气相法适合于制备各种无机半导体纳米线 （管）。对于金属纳米线，利用气相法却难 以合成。液相法可以合成包括金属纳米线在 内的各种无机、有机纳米线材料，因而是另 一种重要的合成一维纳米材料的方法。
4.1.1 气相法制备
第四章-一维纳米材料全篇
第四章 一维纳米材料
材料学院
气相法
气相法
气-液-固生长 (VLS)
气-固生长 (VS)
激光烧蚀法 热蒸发 化学气相沉积 金属有机化合物气相外延 化学气相传输法
自催化气-液-固生长 (self-catalytic VLS)
第四章 一维纳米材料
材料学院
尽管晶须轴向螺旋位错生长机理有其合理性，但有 时螺旋位错并不总在起作用
高温分解产生的纳米级Sn液滴发挥着金属催化剂的 作用，吸附其它气相分子，最终生成SnO2纳米线。
第四章 一维纳米材料
材料学院
电镜观察到纳米线的一端有团球状Sn颗粒，就是以VLS 方式生长的典型特征
第四章 一维纳米材料
材料学院
实例二
自催化VLS生长还可合成掺杂或多元纳米线，例如：
Sn掺In2O3纳米线、Zn2SnO4纳米线、ZnGa2O4纳米线 Mn掺杂Zn2SiO4纳米线、AlGaN合金纳米线和Al4B2O9纳米
第四章 一维纳米材料
材料学院
上述方法中，若PVP的浓度过高，Ag纳米粒子的所有晶面都 有可能被PVP所覆盖，这就丧失了各向异性生长，得到的 主要是Ag的纳米颗粒，而不是一维的Ag纳米线
第四章 一维纳米材料
材料学院
溶液-液相-固相法 (SLS法)
这种方法类似于前面讲过的高温气相VLS法，区别在于 金属液滴是从溶液中分解而来，而不是气相产生的。
第四章 一维纳米材料
材料学院
气相化学沉积
与激光烧蚀法不同，CVD法的源材料直接为气体，在 高温或等离子条件下，利用VLS生长制备一维纳米材料
第四章 一维纳米材料
材料学院
❖ Cui等人利用CVD法合成了线径可控的单晶Si纳米线
无机合成011ppt课件
第二节 无机合成的基本问题
2.4 无机合成中的结构鉴定和表征问题
由于无机化合物和材料的合成对组成和结构有严 格的要求，因此结构的鉴定和表征对无机合成具有指 导作用。它包括对合成产物组成结构的确证，物化性 能的测定及对合成反应过程中间产物的检测等。
常规检测方法：组成分析、X射线衍射、光谱分析等 近代检测方法：低能电子衍射、低速粒子散射光谱
教学参考书
《无机合成化学》
张克立 孙聚堂 等编著 武汉大学出版社, 2004
主要内容
第1章 绪论 第2章 无机材料概述 第3章 无机合成科学基础 第4章 无机合成实验技术 第5章 无机合成方法 第6章 分离与纯化技术 第7章 无机合成化学进展
第一节 无机合成及其重要作用
1.1 无机合成定义：
随着科学技术发展及实际应用的需要，无机合成 愈来愈广泛地应用各种特殊实验技术和方法合成特殊 结构、聚集态（如膜、超微粒、非晶态等）及具有特 殊性能的无机化合物和无机材料。
合成无机半导体超薄膜 超高真空
合成低价态化合物或配合物 无氧无水条件
晶体多孔材料（分子筛） 水热条件
超硬材料
高温高压条件
第二节 无机合成的基本问题
思考题
➢ 什么是无机合成？ ➢ 无机合成研究的主要内容（或基本问题）是什么？
应用化学专业基础课
无机合成
任课教师：杨文胜 北京化工大学理学院
2011年
教材
《无机材料合成》
刘海涛 杨郦 等编著 化学工业出版社, 2003
教学参考书
《无机合成与制备化学》
徐如人 庞文琴 主编 高等教育出版社, 2001
第二节 无机合成的基本问题
2.1 无机合成化学与反应规律问题
新型无机化合物或无机材料的结构创新、合成路 线的设计和选择、合成途径和方法的改进是无机合成 研究的主要内容。