第一章 纳米材料的基本概念-2014-PDF
第1章纳米材料的基本概念与性质
纳米棒
❖ 因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制 方面有着重要的应用前景：
✓ 它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖 ✓ 纳米器件
✓ 超大集成电路(ULSIC)中的连线 ✓ 光导纤维
✓ 微电子学方面的微型钻头
✓ 复合材料的增强剂等
目前关于一维纳米材料(纳米管、纳米丝、纳 米棒等)的制备研究已有大量报道。
1.1.3 纳米粒子薄膜与纳米粒子层系
定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的 薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或 多层膜
复合薄膜中的纳米颗粒
比表面积大
尺寸效应
界面效应
具有特殊的物理性质和化学性质
纳米级第二相粒子沉积镀层举例
(Ni-P)-纳米Si3N4复合层
用具有很好悬浮性能的纳米Si3N4固体微粒作为镀 液的第二相粒子,通过搅拌使其悬浮在镀液中,用电刷 镀的方法使Ni-P合金与纳米Si3N4微粒共沉积于基体 表面.它具有沉积速度快、镀层硬度高和耐磨性好等 优异的性能.
复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如：
➢含有20％超微钴颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高 温材料；
➢金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、 强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。
➢超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原材 料。例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接 触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属的复合 体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用 于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、
基本内容 1.1 纳米材料的基本概念 1.2 纳米微粒的基本性质 1.3纳米微粒的物理特性
1.1 纳米材料的基本概念
从尺寸概念分析：纳米材料就是关于原子团簇、 纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体 材料的总称。
纳米材料制备技术
纳米材料制备技术许路（上海交通大学 材料科学与工程学院 F9905103班）摘 要：纳米材料作为材料科学中的重要一元，近年来受到科学界的广泛重视。
本文将从纳米材料的概况，制备工艺，及其部分应用等方面作出综合评价关键词：纳米材料，制备方法§1 概述§1.1 纳米的基本概念及内涵纳米是一种长度单位,一纳米相当于十亿分之一米,大约相当于几十个原子的长度。
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（10-9—10-7m）范围内认识及改造自然，通过直接操作及安排原子、分子来创造新的物质。
早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科学带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。
纳米科技是研究由尺寸在0.1至100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。
纳米科技主要包括：(1).纳米体系物理学(2).纳米化学(3).纳米材料学；(4).纳米生物学；(5).纳米电子学；(6).纳米加工学；(7).纳米力学；这七个部分相对独立。
隧道显微镜在纳米科技之中占有重要地位，它贯穿到七个领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工的手段占有一半以上。
扫描隧道显微镜(STM)工作原理简图[14]§1.2 纳米材料概述及其分类：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。
如果按维数，纳米材料的基本单元可分为三类：1．零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。
2．一维，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米四、纳米管、纳米棒等。
3．二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。
因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分别有量子点，量子线，量子阱之称。
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。
无机纳米材料
体积效应
纳米材料由有限个原子或分子组成，改变了由无数个原子或分子组成的集体属性，物质本身性质也发生了变化，这种由体积改变引起的效应称为体积效应。 如：金属纳米微粒与金属块体材料的性质不同。
纳米稀土复合氧化物做荧光材料 溶胶凝胶法制备镧-钼复合氧化物超细微粒催化剂(对苯甲醛的选择性）
纳米稀土复合氧化物 及其他纳米复合氧化物
其他无机纳米材料
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纳米SiC的制备：固-固法，固-液法
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应用：制备复合陶瓷（书，141）
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纳米CaCO3的制备与应用
纳米SiC的制备与应用
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纳米CaCO3的制备与应用
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CaCO3的分类
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按粒径 微粒CaCO3；粒1-5μm
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微细CaCO3；0.1-1μm
添加标题
超细CaCO3；0.02-0.1μm
纳米二氧化硅
纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。
纳米材料定义
纳米材料定义纳米材料是一种材料，其尺寸在纳米尺度范围内，通常是1到100纳米之间。
这种尺寸范围的材料具有独特的物理、化学和生物学特性，与传统的宏观材料相比，纳米材料表现出了许多不同的性质和行为。
纳米材料的定义主要是基于其尺寸的微小特性，而不是其化学成分或结构。
纳米材料的尺寸范围使其具有许多特殊的性质。
首先，纳米材料的比表面积非常大，这意味着它们在单位质量或体积下能够展现出更多的表面活性。
其次，由于纳米尺度下的量子效应，纳米材料的光学、电子和磁性质也会发生显著变化。
此外，纳米材料还表现出了优异的力学性能，比如强度、硬度和韧性等方面都有所提升。
这些特殊性质使得纳米材料在许多领域都具有广泛的应用前景。
在纳米材料的定义中，不仅包括了纳米颗粒和纳米结构材料，还包括了由纳米结构组成的复合材料和纳米涂层等。
纳米颗粒是最常见的纳米材料之一，它们通常由金属、氧化物或碳等材料构成，具有较大的比表面积和高度的化学活性，因此在催化、传感、药物输送等领域有着广泛的应用。
而纳米结构材料则是由纳米尺度的结构单元组成，比如纳米线、纳米管和纳米片等，这些结构材料通常具有优异的电子、光学和热学性能，因此在电子器件、光电器件和能源材料等方面有着重要的应用价值。
除了以上所述的应用领域外，纳米材料还在生物医学、环境保护、新能源等领域有着重要的应用价值。
比如，纳米材料可以用于制备生物传感器、药物载体和组织工程支架，用于治疗疾病和修复组织。
在环境保护方面，纳米材料可以用于污水处理、大气净化和环境监测等方面。
在新能源领域，纳米材料也可以用于太阳能电池、燃料电池和储能材料等方面，以提高能源转换效率和储能密度。
总的来说，纳米材料的定义是基于其尺寸范围的微小特性，这种微小特性赋予了纳米材料许多独特的物理、化学和生物学特性，使得其在许多领域都具有重要的应用价值。
随着纳米科技的不断发展，纳米材料必将在材料科学、生物医学、环境保护、新能源等领域发挥越来越重要的作用。
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。
纳米材料的基本概念与性质
纳米材料的基本概念与性质纳米材料是指在尺寸范围为纳米级别的材料，即其尺寸在1到100纳米之间。
相对于常规材料，纳米材料具有特殊的性质和特点，这主要源于其尺寸效应、表面效应和量子效应等纳米尺度效应的影响。
下面将详细介绍纳米材料的基本概念和性质。
首先，纳米材料具有尺寸效应。
当材料的尺寸处于纳米级别时，与常规材料相比，纳米材料的许多物理、化学和力学性质都会有显著改变。
例如，金属纳米颗粒的熔点和磁性会发生变化，纳米薄膜表面的扩散速率会增大，高填充纳米孔隙材料的机械强度也会增加。
这些尺寸效应的改变使得纳米材料在电子、光学、催化等领域具有广泛的应用潜力。
其次，纳米材料表面效应对其性质也产生了重要影响。
相对于体积物质，纳米材料拥有更大的表面积，这意味着纳米颗粒或纳米薄膜的许多原子都处于表面状态。
表面效应的存在改变了纳米材料的电子结构、晶粒尺寸和化学反应活性等性质。
由于表面活性的提高，纳米材料能更好地催化反应、吸附和储存气体、改善电池材料性能等。
另外，量子效应也是纳米材料的重要特点之一、当纳米材料的尺寸缩小到纳米级别时，其原子和分子的量子效应开始显现。
量子效应使得纳米材料的光学、电子和磁性能等性质有显著变化。
例如，纳米发光材料的荧光强度和波长会受到量子尺寸限制的影响，纳米晶体管中的载流子行为也会发生量子限制的变化。
因此，纳米材料的量子效应使得其在量子计算、纳米电子学和纳米光学等领域具有独特的应用优势。
除了尺寸、表面和量子效应之外，纳米材料还具有其他特殊性质。
例如，纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应可用于快速检测和分析微量物质的存在；纳米结构的多孔性使其具有大的比表面积和高的吸附能力，有利于储能、催化和环境修复等应用；一些金属纳米材料具有独特的光学性质，如银纳米颗粒的表面等离子体共振现象，可用于增强光子学器件的性能。
总之，纳米材料是在纳米尺度下制备和应用的材料，其独特的性质和特点使其在诸多领域具有广泛应用的潜力。
纳米材料的尺寸效应、表面效应、量子效应以及其他特殊性质使其成为材料科学和工程领域中的研究热点，并在电子、光学、催化、生物医学和环境等领域得到广泛应用。
纳米材料的基本概念和性质汇总
6、纳米复合材料
定义：纳米复合材料是由两种或两种以上的 固相（其中，至少在一维为纳米级大小）复合 而成的复合材料。这些固相可以是晶质、非晶 质、半晶质或兼而有之。也可以是有机物、无 机物或二者兼有。
纳米复合材料的特点：
可综合发挥各组分间协同效能 性能的可设计性
可按需加工材料的形状
纳米复合材料的性质：
团簇的研究是多学科的交叉
化学
合成化学 化学动力学 晶体化学 结构化学 原子簇化学
物理
原子、分子物理 非晶态
表面物理 晶体生长
其它
星际分子 矿岩成因 燃烧烟粒等
原子团簇的分类
按原子种类数目：
一元原子团簇
金属团簇，如Nan，Nin等
碳簇，如C60，C70等 非金属团簇
非碳簇，如B，P，S簇
二元原子团簇：包括InnPm，AgnSm等
应用：
含有20％超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐 高温材料。
金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、 强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。
超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原 材料。例如，材料的耐高的复合体，使其间连续地发生变化，这种材料可用于 温差达1000℃的航天飞机隔热材料。
小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应
应用：
光、电、磁、敏感和催化材料 吸波材料 防辐射材料 高韧性陶瓷材料等
3、碳纳米管、纳米棒、纳米线
碳纳米管是纳米材料的一支新军。它由纯碳元素 组成，是由类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物， 它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可 达数微米甚至数毫米。
同步增韧、增强效应。无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性， 纳米无机材料对有机材料的复合改性，可在发挥无机材料增强效果的 同时起到增韧的效果。 新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合 材料中，可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如高效催化剂、 紫外光屏蔽等。
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Nanostructures at Different Scales
前言
在20世纪的最后十年一门崭新的学科 － 纳米科 学技术 诞生了。其新颖独特的思路和首批研究成
果问世，在科学技术界，军事界和产业界引起了 巨大的影响，受到广泛的关注。
纳米粒子, 界面结构模型 1985, 美国, Kroto, (Laser) C60, C70的发现
发展历史
1990.7, USA, 1st Nano-Sci & Tech.: “Nanostructured Materials”, “Nano Biology”, “Nanotechnology”.
研究发展历程, 内涵及趋势
Nanocrystalline or nanophase 单相材料的制备, 表征 (1985-1990)
特异性能的挖掘, 复合材料的 设计: 0-0, 0-2, 0-3复合材料
(1990-1994)
Nanostructured assembling,
Patterning materials 有序阵列, 超结构, 材料的合理剪裁…...
1950
1980
1990
2000
Nanowires began to shine !
Sohn et al, Nature 1998, 394, 131 Lieber et al, Nature 2001, 409, 66
Nanosensors
Boron-doped SiNWS were used to create highly sensitive, real time electrically based sensors for biological and chemical species. Amine- and oxide-functionalized SiNWs exhibit pH-dependent conductance that was linear over a large dynamic range and could be understood in terms of the change in surface charge during protonation and deprotonation.
?
(1994- )
广阔的应用前景
电子计算机和电子工业: 纳米存储器芯片, “掌上电 脑”。
环境保护环境科学领域: 功能独特的纳米膜, 纳米传感 器可探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对 这些制剂进行过滤，从而消除污染.
材料领域: 纳米陶瓷刚柔并济，有一定的塑性，高硬 度和耐高温，使发动机在更高的温度下工作。
1996, China, 4th Nano-Sci & Tech. 2000, Japan, Sentai. 5th Nano-Sci & Tech. 2001, J. Nanosci. Nanotechno. (ASC) 2001, Nano Letters (ACS) : IF = 10.5 2002, Inter. J. Nanosci. (IJN) (WS) 2005, Small (Wiley) 2006, Nature Nanotechnology (NPG) 2007, ACS Nano (ACS)
《纳米材料科学导论》
俞书宏
中国科学技术大学 化学与材料科学学院 微尺度物质科学国家实验室纳米材料与化学研究部
Email: shyu@
Group Homepage:
/~yulab/ 电话：63603040
目的
本课程主要向学生讲授目前有关纳米材料的基本知识及 制备技术的前沿和应用前景的展望等; 研讨目前先进无 机纳米材料的各种关键制备技术, 特别是介绍当前纳米 制备技术方面的重要科学问题及涌现出的新兴交叉学科 和相关先进制备技术; 介绍各种制备技术的特点, 机理 和可能的应用前景。
医药领域: 把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性 纳米颗粒的内部。这些颗粒可以自由地在血管和人体 组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中 到患病的组织中，那么药物治疗的效果会大大。
日常生活: 自清洁玻璃; 杀菌、防霉、除臭和抗紫外线 辐射的内衣和服装; 抗紫外线辐射的功能纤维。
Emerging Applications: Quantum Leap for “Mini”-Electronics
Physics & Engineering Biology & Medicine
Nanochemistry
Self-lithography
Template directed synthesis
Nanochemistry
Self-assembly
Chemical methods
课程内容
1. 纳米材料的基本概念及 纳米颗粒的物理化学特性
2. 纳米颗粒及结构材料的表征方法 3. 纳米材料的制备技术与进展 4. 纳米新兴交叉领域的涌现 5. 纳米材料的应用前景及展望
纳米材料的制备技术与进展
Chemical Vapor Deposition (CVD) Chemical solution methods Biomineralization, Biomimetics
“正如20世纪70年代的微电子引发了信息 革命一样，纳米科学技术将成为21世纪信 息时代的核心。”
------ 美国IBM公司首席科学家 Amostrong
发展历史
碳黑, 煤, 古代铜镜的防锈层 (SnO2)…… 自然界动物体内磁性粒子的导航作用…. 1861, Colloid chemistry, 1-100 nm 1962, 金属超微粒子的研究, 久保理论….. 1963, Uyeda et al., 气体冷凝法, TEM 1970, 半导体超晶格的发现, 能隙可调制的薄膜 1984, 德国, Gleiter, 惰性气体凝聚法, 清洁表面的
参考教材: 张立德 牟季美, “纳米材料学”, 辽宁科学技术出版社, 1994 张立德 牟季美, “纳米材料和纳米结构”, 科学出版社, 2002综合性大学科概念材源自科学物理学纳米科学
化学
信息科学
生物学
Panochemistry
Chemistry & Materials Science
Materials self-assembly over all length scales