低维材料(二).
低维材料(二)
低维材料（二） 一维材料
赵永男 教授
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一维材料是指各种晶须及纤维材料。
目前最活跃的一维材料有一维纳米材料、 光导纤维、碳纤维以及碳化硅晶须等。
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，光导纤维是最 有生命力的信息传输材料。
碳纤维是复合材料的主要原料，碳化硅晶 须是陶瓷基、树脂基、金属基复合材料的 增强体，受到人们的高度重视，并研制出 满足微电子学、信息、宇航等领域需要的 各种一维材料。
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由于晶体结构完整，晶须不仅具有异乎寻 常的力学性能，而且在电学、光学、磁学、 铁磁性、介电性、传导性、甚至超导性等 方面皆发生显著变化。因此，对晶须的研 究和开发受到高度重视。
20世纪60年代就已开发了近百种晶须实验 品，包括金属、氧化物、碳化物、氮化物、 卤化物等。
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用晶须增强的复合材料具有优异的耐磨损、 滑动性、高的绝缘性及显著的力学增强性 能，成为复合材料领域中的一个重要分支 及最为活跃的研究方向之一。
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(2) 良好的相容性
晶须的尺寸细微, 不影响复合材料成型流动 性，接近于无填充的树脂。晶须可以在高 分子基体中分布得很均匀, 可以使极薄、极 狭小甚至边角部位都能得到增强填充。
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(3) 优良平滑性及化学稳定性
晶须增强工程塑料膨胀系数及成型收缩率 小，有极高的尺寸精度和光洁的平滑表面, 远远超过碳纤维和玻璃纤维增强材料制品。
按照VS机制，晶须的生长首先要满足如下 几个条件：① 氧化或活化气氛；② 含有细 小触媒形核剂；③ 位错的柏氏矢量需与晶 须的轴向平行。
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低维材料的制备及其应用
低维材料的制备及其应用低维材料，是指具有超薄、纳米尺寸，在至少一个维度上具有控制的尺寸和形貌的材料。
常见的低维材料有二维材料和一维材料。
具有二维结构的材料称为二维材料，包括了石墨烯、硼氮化物、过渡金属二硫化物等；而具有一维结构的材料，则被称为一维材料，包括了纳米线、碳纳米管等。
由于低维材料在表面积和生物相容性方面具有巨大的优势，近年来对其研究的热度越来越高。
低维材料的制备及其应用低维材料制备技术的发展经历了很长一段时间，而随着现代化的发展，新的制备技术层出不穷。
下面，我们来介绍一些常见的低维材料制备技术。
1. 石墨烯制备技术石墨烯是最常见的二维材料之一，具有极高的导电性、导热性和机械强度。
目前，最常用的石墨烯制备技术是机械剥离法、化学气相沉积法和热解法。
其中，机械剥离法是最简单的方法，即通过磨砂纸、胶带等手段进行层层剥离，但缺点是产率低；化学气相沉积法是一种通过气相化学反应在基板上形成石墨烯的方法，适用于大面积的制备，但成本较高；热解法则是将无机盐或有机物在高温条件下热解而得，可以制备出高质量的石墨烯，但需要高温环境和特殊设备。
2. 纳米线制备技术纳米线是最常见的一维材料之一，具有良好的电、光学性能和机械强度。
目前，最常见的纳米线制备技术是气相沉积法和溶液合成法。
其中，气相沉积法是通过在气相中加热物质，使其在基板表面进行化学反应而形成纳米线，可以制备出尺寸均一的纳米线；而溶液合成法则是将金属溶液或其他物质溶解在溶剂中，通过控制条件使其形成纳米线，这种方法可以通过直接变化反应条件来控制纳米线的尺寸、形貌和晶格结构。
低维材料的广泛应用主要分为两方面：材料学和器件应用。
下面我们来介绍一些常见的应用场景。
1. 纳米传感器由于低维材料的超大表面积和高灵敏度，所以被广泛应用于纳米传感器的发展。
比如，石墨烯可以用于建造高灵敏度的化学和蛋白质传感器；硼氮化物则可以用于建造高性能的气敏传感器。
2. 光电器件二维材料在光电器件中应用也非常广泛。
低维材料的制备及应用
低维材料的制备及应用低维材料是指厚度小于100纳米的材料，其在晶体学中通常被定义为具有低维结构的物质。
目前已知的低维材料有二维材料和一维纳米线，这些材料凭借着其独有的二维和一维结构，展现出了许多奇妙的物理特性，具有广泛的应用前景。
一、低维材料制备1. 二维材料制备（1）机械剥离法机械剥离法是以石墨为例，将石墨进行剥离，得到的单层石墨即为石墨烯。
这种方法简单易行，但是其缺点是不能生产规模化的产物。
（2）化学气相沉积法化学气相沉积法是通过两个气态试剂反应，沉积在表面上，从而制备出二维材料。
这种方法制备出来的产物具有高质量和高可扩展性。
（3）贴烯技术贴烯技术是通过将热压技术和分子束外延技术结合起来，制备出石墨烯。
通过这种方法可以大幅提高薄膜的纯度。
2. 一维纳米线制备（1）气相合成法气相合成法是通过将金属蒸发在惰性气体的高温环境中，金属气体在惰性气体中的冷却现象下，会形成纳米线。
（2）溶液合成法溶液合成法是把原料物质溶解在有机溶剂中，通过在溶液中添加稳定剂或表面活性剂对溶液中的某种物质进行还原反应，从而合成出纳米线。
二、低维材料应用1. 光电子学低维材料的电子结构得到了广泛的研究，这种电性使其在光电子学领域具有广泛应用。
例如，二维材料石墨烯、过渡金属二硫化物等材料在太阳能电池、激光器和LED中的应用。
2. 催化剂低维材料在化学催化剂领域中应用广泛，这是由于低维材料具有很高的比表面积。
例如，纳米线材料在化学传感器和分析器件中的应用。
3. 生物医学低维材料在生物医学领域中的应用越来越广泛，主要用于生物医学成像和生物检测。
例如，纳米线材料可以用于医学成像领域，例如，检测DNA和蛋白质。
总之，低维材料具有很高的潜力和发展前景。
其制备方法可持续发展，未来将有更多应用场景。
随着材料科学及化学研究的不断发展，低维材料的应用领域将会更广。
材料科学中的低维材料研究
材料科学中的低维材料研究低维材料是材料科学中一个热门的研究领域，这些材料由于其特殊的结构和性能，已经成为了各个领域的研究热点。
本文将从低维材料的定义、种类以及研究进展等方面展开论述。
一、低维材料的定义低维材料，顾名思义，就是其维度较低的材料，通常指的是具有二维或一维结构的材料。
一维材料是指直径非常小的材料，例如纳米线、纳米管等。
二维材料则是指厚度非常薄的材料，例如石墨烯、二维氧化物等。
这些材料具有特殊的结构和性质，例如二维材料具有高比表面积和可控的亲疏水性质，一维材料具有高度的拉伸强度和柔韧性等，这些特殊的性质为其在生物医学、能源储存等领域的应用提供了无限可能。
二、低维材料的种类1. 二维材料石墨烯是目前最为著名的二维材料之一，由一层碳原子组成，并且具有非常优异的电学、热学、机械以及光学等性质，是实现电子器件微缩的理想材料之一。
此外，近年来还发现了一些新型的二维材料，例如二维硒、二维氧化物等。
这些材料具有优异的电学性能、可见光吸收性能等特点，在光电子器件、传感等方面具有广阔的应用前景。
2. 一维材料一维材料具有非常特殊的结构，具有高比表面积、高拉伸强度、柔韧性等特质，并且有着极高的导电性和导热性，因此，一维材料被广泛应用于传感、生物医学、光电子器件、能源储存等领域。
目前，常见的一维纳米材料包括纳米线、纳米管、纳米膜等。
其中，纳米线是最为常见的一维纳米材料，具有极高的柔韧性和可塑性，被广泛应用于柔性电子器件、传感器等方面。
三、低维材料的研究进展随着纳米技术的不断发展，低维材料的制备和性质研究也得到了长足的发展。
目前，石墨烯的制备技术已经非常成熟，不仅能够通过力学去剥离法制备单层石墨烯，还可以通过碳源的化学气相沉积法、化学还原法等方法制备石墨烯。
同时，在一维材料方面，也有了大量的研究进展。
例如，通过化学气相沉积法、水热法等方法制备出了多种不同形状的纳米线和纳米管材料，这些材料在传感、催化、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
低维材料的性质与制备
低维材料的性质与制备低维材料是指在一定条件下只有几个原子厚度的材料。
它们在物理、化学、光电等领域有着广泛的应用。
本文将探讨低维材料的性质、制备方法及其应用前景。
一、低维材料的性质低维材料具有独特的电子结构和物理性质。
例如，二维材料的传导性能比三维材料要好，因为在二维材料中，电子只能在一个平面内运动，电子之间的相互作用更强，更易形成导电带。
此外，低维材料的电子态密度非常高，故它们具有更高的载流子浓度和更低的电阻率。
低维材料的光电性能也是研究的热点之一。
例如，二维石墨烯具有良好的光吸收性和导电性，可用于制造太阳能电池和柔性电子。
此外，低维材料的光谱学性质也很特别。
例如，二维材料中的量子大小效应（quantum size effect）会导致可见光谱的削弱，使得材料呈现出颜色的变化和发光现象，这些特性对于LED、光传感器等应用有重要意义。
二、低维材料的制备低维材料的制备是目前研究的重点。
目前，主要的低维材料制备方法包括剥离法、气相沉积法、水热法和化学气相沉积法等。
1. 剥离法剥离法是最常用的二维材料制备方法之一。
其核心原理是使用粘性胶带或氧化铝等材料来将大块材料逐层剥离，得到单层或多层二维材料。
该方法制备的材料具有高质量、良好的均匀性和可重复性。
但是，剥离的过程需要高度精密的操作，并且只能得到较小的面积材料。
2. 气相沉积法气相沉积法是一种通过在热表面上沉积化合物气体来得到薄膜的方法。
其制备过程可以分为热解法、金属有机气相沉积法和化学气相沉积法。
气相沉积法制备的材料可以覆盖大面积，具有良好的均匀性和较高的品质。
不过，气相沉积法制备需要高温高真空环境，对材料和设备要求较高。
3. 水热法水热法是一种简单易行的制备方法，可以制备二维无机层状材料。
其原理是通过研磨物质并在高温、高压水溶液中进行反应。
该方法制备的材料可以得到高晶化度、较纯和较大的面积，但是也存在着太长的反应时间和需要高压的问题。
4. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种通过有机化合物分解生成薄膜的方法。
低维材料的制备及其性质研究
低维材料的制备及其性质研究随着纳米技术的发展，低维材料成为近年来研究的热点之一。
低维材料是指尺寸在纳米尺度下的材料，能够表现出独特的电子、光学和力学性质，具有广泛的应用前景。
本文将介绍低维材料的制备和性质研究，包括二维材料和一维材料两个方面。
二维材料的制备和性质研究二维材料是指只有两个原子层厚度的材料，具有很高的比表面积和方向性。
目前已经发现的二维材料有石墨烯、二硫化钼、二硒化钼等。
其中，石墨烯是最为著名的二维材料之一，由碳原子构成六角形结构，具有很高的机械强度、热导率和电导率。
石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法和液相剥离法等。
其中，机械剥离法是最早被采用的制备方法，即通过用胶带或者其他粘性材料将石墨烯从石墨表面剥离得到。
但是机械剥离法制备的石墨烯有很大的不规则性，难以进行有序组装。
化学气相沉积法可以制备大面积、高质量的石墨烯，但是制备过程需要高温和高真空环境，成本较高。
现在，化学还原法是制备石墨烯最为普及的方法之一，通过还原氧化石墨或氧化石墨烯制备石墨烯。
液相剥离法则是利用溶液中导致黏附性的物质将石墨烯从石墨表面剥离而得。
这种方法成本较低，但石墨烯的质量和尺寸也较小。
除了石墨烯之外，其他的二维材料也有各自的制备方法。
以二硫化钼为例，化学气相沉积法也是最常用的制备方法之一。
但是，最近研究表明，用机械剥离法制备的二硫化钼比化学气相沉积法制备的二硫化钼具有更优异的耐腐蚀性和力学性能。
液相剥离法可以制备二硫化钼的大面积单层，但是由于二硫化钼在水相中不稳定，因此该方法的应用范围较小。
二维材料由于其独特的电子、光学和力学性质，具有广泛的应用前景。
石墨烯被广泛应用于电子器件，如场效应晶体管、透射电子显微镜、太阳能电池和传感器等。
二硫化钼和二硒化钼则被用于锂离子电池、光电器件和催化剂等领域。
一维材料的制备和性质研究与二维材料相比，一维材料在尺寸上更加具有限制性，由此表现出更为独特的特性。
低维材料的性质及应用前景
低维材料的性质及应用前景随着科技的升级和发展，人们对材料的要求也越来越高。
在材料的研究中，低维材料已经逐渐受到了人们的关注。
它的特殊结构和性质使得它具有广阔的应用前景。
本文将从低维材料的定义、性质以及应用前景几方面来进行阐述。
一、定义低维材料是指在至少一个维度上尺寸限制在纳米级别的材料。
一般来说，低维材料可以分为一维、二维和三维材料。
其中，一维材料主要包括纳米线、碳纳米管等；二维材料主要包括石墨烯、氧化石墨烯等；三维材料主要包括纳米颗粒、纳米晶等。
这些材料的特殊结构决定了它们具有良好的物理、化学性质，因此在能源、电子器件、生物医学等领域有着广阔的应用前景。
二、性质低维材料的特殊结构决定了它们具有独特的性质。
以石墨烯为例，其主要性质如下：1.高导电性和高热传导性：石墨烯中，每个碳原子只与三个邻近的碳原子相邻，因此具有较高的电子迁移率和更大的电子速度，而这也使得石墨烯拥有高导电性和高热传导性。
2.高机械强度：石墨烯的一个碳原子层结构使得它在单层情况下的强度特别高，比钢的强度还要高。
3.透明度和光学性质：石墨烯是一种透明的材料，只有2.3%的光被吸收。
同时，在特定厚度范围内，它还可以调节透过的光的波长和吸收。
除此之外，低维材料还具有很多其他的特殊性质，如表面效应、量子限制效应等等。
三、应用前景由于低维材料具有特殊的性质，因此在能源、电子器件、生物医学等领域具有广阔的应用前景。
1.能源领域低维材料的高透明度、高导电性和高热传导性等特性使得它在太阳能电池、光伏发电等领域具有很大的应用前景。
例如，通过在石墨烯表面修饰钙钛矿材料，可以增强其光吸收和光电转换效率，提高太阳能电池的效率。
2.电子器件领域低维材料的高电子迁移率、高机械强度等特性使得它在电子器件领域具有很大的应用前景。
例如，碳纳米管可以作为晶体管的替代材料，可以被应用在高速传输的电子器件中；而石墨烯则可以被用来制造更加高效的电子元器件。
3.生物医学领域低维材料在生物医学领域的应用也是不容忽视的。
表面处理技术概论低维材料
一、基本概念解释（1）、低维材料（2）、纳米材料（3）、生物燃料（4）、生物燃料净化1、维数比三小的叫低维材料，具体来说是二维、一维和零维材料。
2、二维材料，包括两种材料的界面，或附着在基片上的薄膜．界面的深或膜层的厚度在纳米量级。
半导体量子阱属二维材料。
3、一维材料，或称量子线，线的粗细为纳米量级．4、零维材料，或称量子点，它由少数原子或分子堆积而成，微粒的大小为纳米量级．半导体和金属的原子簇(cluster)是典型的零维材料．1、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(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
2 、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。
纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。
可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。
静电纺丝法是制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。
纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。
颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。
致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。
可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。
3、低维材料大多是纳米材料，低维材料范围较小，我们将主要介绍二维材料。
4、在材料学中，厚度为纳米量级的晶体薄膜通常被视作二维的，即只有长宽，厚度可忽略不计，称为二维纳米材料。
*低维材料*纳米材料（3）、生物燃料•生物燃料(biofuel)泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料。
•可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。
所谓的生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质。
它包括、动物和微生物。
不同于石油、煤炭、核能等传统燃料，这新兴的燃料是可再生燃料。
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能弹性地承受较大的应变而无永久变形。试 验证明，晶须经4%的应变还在弹性范围内， 不产生永久形变，而块状晶体的弹性变形范 围却小于0.1%。 具有相当大的长径比。晶须的横断面多具有 六角形、斜方形、三角形或薄带形, 不同于 玻璃纤维或硼纤维具有圆形横断面, 大大增 加了长径比，其长径比都在30 以上，能满足 增强塑料、防火板材对长径比(大于30)的要 求, 使复合材料获得很高的强度和性能。 无疲劳效应。晶须没有明显的疲劳特征, 即 使被磨成粉末、切断, 其强度也不受损失。
莫来石
Sn h-BN
热处理法
自发反应 热处理法
1250
室温 1500-2100
Sn h-BN，N2
晶须的气-液-固生长机制(VLS)
Байду номын сангаас
与VS机制不同，气-液-固生长机制(VLS机 制，V代表气体原料，L为液体触媒，S为 固体晶须)认为，除反应生成的晶须材料外， 在基底上存在的触媒对晶须的生长起着关 键的作用。合适的触煤能够与体系中的其 他组分形成低熔共晶，在晶须生长的温度 下容易形成触煤液滴；触媒液滴吸收气相 晶须材料反应组分，当晶须材料组分在液 相中的溶解度达到饱和后，就会在基底的 LS界面沉积、析出并最后长大成晶须。
(2) 良好的相容性 晶须的尺寸细微, 不影响复合材料成型流动 性，接近于无填充的树脂。晶须可以在高 分子基体中分布得很均匀, 可以使极薄、极 狭小甚至边角部位都能得到增强填充。
(3) 优良平滑性及化学稳定性 晶须增强工程塑料膨胀系数及成型收缩率 小，有极高的尺寸精度和光洁的平滑表面, 远远超过碳纤维和玻璃纤维增强材料制品。 (4) 再生性能好 用晶须增强的复合材料有良好的重复使用 性。实验表明：添加晶须的复合材料经多 次加工，热稳定性好，力学性能变化也不 大, 再生循环使用性能好。
新型无机材料
低维材料（二） 一维材料
赵永男 教授
一维材料是指各种晶须及纤维材料。 目前最活跃的一维材料有一维纳米材料、 光导纤维、碳纤维以及碳化硅晶须等。 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，光导纤维是最 有生命力的信息传输材料。 碳纤维是复合材料的主要原料，碳化硅晶 须是陶瓷基、树脂基、金属基复合材料的 增强体，受到人们的高度重视，并研制出 满足微电子学、信息、宇航等领域需要的 各种一维材料。
硫酸钙
碳化硅
镁盐晶须
钛酸钾
晶须硅
Tetrapod氧化锌
多晶纤维与晶须的区别主要是多晶与单晶 的区别,多晶是由多个单晶晶粒组成的晶体， 在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不 同，其周期性与规则性也在此处受到破坏。
由于晶体结构完整，晶须不仅具有异乎寻 常的力学性能，而且在电学、光学、磁学、 铁磁性、介电性、传导性、甚至超导性等 方面皆发生显著变化。因此，对晶须的研 究和开发受到高度重视。 20世纪60年代就已开发了近百种晶须实验 品，包括金属、氧化物、碳化物、氮化物、 卤化物等。
按VS机制生长的部分晶须
晶须种类
Al2O3 β-SiC 莫来石 莫来石
制备方法
AlF3水解法 碳热还原法 气相法 溶胶-凝胶法
原料
AlF3, H2O C，高岭土 Al2O3, AlF3
铝硅干凝胶，AlF3 铝硅玻璃，AlF3
生长温度/Co
1400 1300-1700 1150-1700 1100-1250
晶须的生长机制
晶须作为一种特殊的细小纤维状的单晶体， 生长机制有其独特性。通常，晶须的生长 过程包括孕育期、生长期和终止生长期三 个阶段。 各种晶须生长机制中，气固机制和气液固 机制是比较常见的两种。同时，晶须的生 长机制与其制备方法之间并不是互不相干、 彼此独立的，而是有着密切的联系。对同 一种生长机制，可能存在着几种制备方法， 对同一种制备方法也可能存在着几种生长 机制。
晶须
晶须是在人工控制条件下，以单晶形式生长 成的一种短纤维，其直径非常小(0.1至几微 米)，以致难以容纳大晶体中常出现的内部 缺陷，原子排列高度有序，晶体结构近乎完 整，不含有晶粒界、亚晶界、位错、空洞等 晶体结构缺陷，因而强度接近于完整晶体的 理论值。
英文名称：crystal whisker 历史 数百年前：银晶须（大英博物馆陈列） 1948年：铜晶须（贝尔研究所发现，引起 电路短路） 最近二十多年：推测出晶须为接近单晶结 构，而具有非常高的强度与弹性模量，从 而可用于复合材料。
晶须的气-固生长机制
晶须的气--固生长机制(VS机制)又称为位错 机制，是通过气--固反应形核并长成晶须的 过程。是一种经常采用的晶须生长机制。 按照VS机制，晶须的生长首先要满足如下 几个条件：① 氧化或活化气氛；② 含有细 小触媒形核剂；③ 位错的柏氏矢量需与晶 须的轴向平行。
符合上述条件后，在晶须的生长温度下触 媒形核剂吸附氧化或活化气氛中的晶须材 料组分，使其沉淀析出；随晶核进一步的 生长或分解，当达到某一临界值时，晶核 受到应力的作用而稳定地沿着位错的柏氏 矢量方向生长成晶须。
晶须在按VS机制生长的实际过程中，除了 化学反应条件和晶须材料的选择对晶须的 生长有很大的影响外，气相反应物的过饱 和度也起着重要作用。气相反应物的过饱 和度较低时容易生成晶须；过饱和度中等 时会形成枝状、片状或晶须与晶粒的混合 物；过饱和度过大时则不会生成晶须。因 此采用该机制制备晶须时，对气相反应物 的过饱和度需严格控制。
用晶须增强的复合材料具有优异的耐磨损、 滑动性、高的绝缘性及显著的力学增强性 能，成为复合材料领域中的一个重要分支 及最为活跃的研究方向之一。 有机化合物晶须、金属晶须和陶瓷晶须三 类。其中陶瓷基晶须的强度和耐热性均优 于其他两类，故具有更大的工业应用价值。
晶须的特点
(1) 优良的力学性能 机械强度高。晶须作为细微的单晶体, 内部 结构十分完整。具有非常坚韧的性质, 其抗 张强度为玻璃纤维的5--10 倍, 比硼纤维有 更好的韧性。 耐高温性。晶须具有不会引起高温滑移的 完整性, 温度升高时, 晶须不分解、不软化, 其强度几乎没有损失。这个特性使其在防 火材料中的应用成为可能。