从纳米晶到三维超晶格结构

合集下载

纳米晶体正交结构-概述说明以及解释

纳米晶体正交结构-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容：纳米晶体正交结构是指纳米晶体在三维空间中呈现出正交晶系的结构特征。

纳米晶体是一种具有晶体特征但尺寸在纳米级别的材料，其晶体尺寸通常为1-100纳米，具有较高的比表面积和特殊的物理、化学性质。

正交结构是晶体学中的一种晶系，具有平行于坐标轴的三个相互垂直的晶系参数，其晶胞形状为长方体。

根据这种结构的特性，纳米晶体正交结构在材料科学领域中具有重要的应用前景。

纳米晶体正交结构的研究对于理解和掌握纳米级材料的物理和化学性质非常重要。

由于其比表面积的增大和晶格尺寸效应的存在，纳米晶体正交结构在光、电、磁等领域显示出与宏观材料截然不同的特性。

例如，纳米晶体正交结构的比表面积较大，可以增加材料的反应活性，使其在催化、光催化等领域具有潜在的应用。

此外，由于纳米晶体正交结构的晶格尺寸接近光的波长，纳米晶体正交结构也表现出材料各向异性和色散效应，使其在光学器件、传感器等领域有着广泛的应用前景。

因此，本文旨在从纳米晶体的定义和特征出发，介绍纳米晶体正交结构的基本概念和特点。

通过对正交结构的解析和讨论，揭示纳米晶体正交结构在材料科学领域中的重要性和应用前景。

最后，总结本文内容，给出对纳米晶体正交结构未来研究的展望。

通过本文的研究，我们可以更好地理解和应用纳米晶体正交结构，推动纳米科学与技术的发展。

文章结构部分是用来介绍整篇文章的组织结构和各个部分的内容。

以下是文章结构部分的内容：1.2 文章结构为了系统地介绍纳米晶体正交结构，本文将分为以下几个部分：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的在引言部分，我们将对纳米晶体正交结构的研究进行概述，明确本文的研究方向和重要性。

同时，我们将对整篇文章的结构进行介绍，以帮助读者更好地理解和阅读本文。

最后，我们将阐明本文的研究目的，明确要解决的问题和达到的目标。

2. 正文2.1 纳米晶体的定义和特征2.2 正交结构的介绍在正文部分，我们将首先介绍纳米晶体的定义和其独特的特征，包括纳米尺寸效应、巨大比表面积等方面的特点。

纳米技术简介

纳米科技导论课程小论文题目:纳米技术简介学号班级教师摘要：纳米材料作为材料科学中的重要一元，最近几年来受到科学界的普遍重视。

本文将从纳米材料的概况，制备工艺，及其部份应用等方面作出综合评判关键词：纳米材料制备方式1、纳米材料概述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.人类对纳米的研究是在高技术领域或继信息技术和生命科学以后的又一个里程碑.正如中国的纳米首席科学家张立德所说: “大多数人竟然一无所知,纳米即将是一次产业革命”.由于物质组成的精细度达到纳米级时,就能够表现出一些独特的物理、化学的性能,从而为新材料的产生制造条件.纳米技术能在原子和分子水平上操纵物质,制造和制备优良性能的材料.因此,纳米技术是一项引领时期潮流的前沿技术,是科技之峰颠. 1982 年,科学家发明了纳米的重要工具——扫描隧道显微镜为咱们揭露了一个可见的原子、分子世界,对纳米科技的进展产生了踊跃的增进作用.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，或由他们作为大体单元组成的材料。

若是按维数，纳米材料的大体单元可分为三类：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，因此对零维、一维、二维的大体单元又别离有量子点，量子线，量子阱之称。

纳米材料是新型材料，由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，它具有常规粗晶材料不具有的特殊性能。

小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长和超导态的相干长度或透射深度等物理特点尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层周围原子密度减小,致使声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。

例如:光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移;磁有序态向磁无序态的转变;超导相向正常相的转变;声子谱发生改变。

纳米材料基本概念和分类

20
第二章纳米材料的特性
2 1 纳米材料的基本效应表面效应
也称界面效应;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所引起的性质上的变化
随着粒径的减小;纳米粒子的表面原子数比表面积表面能及表面结合能都迅速增大
表面原子处于裸露状态;周围缺少相邻原子;有许多剩余键力;易与其他原子结合而稳定;具有较高的化学活性
目前;在纳米化工厂生物传感器生物分子计算机纳米分子马达等方面;都做了重要的尝试
纳米材料定义
按国际制SI词冠中纳米尺寸概念以及纳米度量单位与其它度量单位的关系如下：
1艾米exametre＝1000拍米petametre 1拍米petametre＝1000太米terametre 1太米terametre＝1000吉米gigametre 1吉米gigametre＝1000兆米megametre
飞檐走壁的壁虎
壁虎可以在任何墙面上爬行;反贴在天花板上;甚至用一只脚在天花板上倒挂它依靠的就是纳米技术壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛;可以使壁虎以几纳米的距离大面积地贴近墙面尽管这些绒毛很纤弱;但足以使所谓的范德华键发挥作用;为壁虎提供数百万个的附着点;从而支撑其体重这种附着力可通过剥落轻易打破;就像撕开胶带一样;因此壁虎能够穿过天花板
纳米材料的定义及发展
纳米材料定义
纳米材料;是指在结构上具有纳米尺度特征的材料;纳米尺度一般是指1100nm
广义定义：材料的基本单元至少有一维的尺寸在1100nm范围内
同时具备的两个基本特征：纳米尺度和性能的特异变化
纳米材料的分类
按材质纳米金属材料纳米非金属材料纳米高分子材料和纳米复合材料
1兆米megametre＝1000千米kilometre 1千米kilometre＝10百米hectometre

纳米物理基本概念与纳米材料

纳米物理基本概念与纳米材料一、纳米材料的基本概念从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。

1.1 纳米材料广义地讲，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或由它们作为基本单元构成的具有特殊性能的材料。

纳米材料的分类•如果按维数，纳米材料可以分为以下三类：•（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：指在空间中有二维尺度处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。

•（3）二维：指在空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜等。

如果按形状，纳米材料可以分为•（4）纳米颗粒和粉体、纳米管、纳米线、纳米带、纳米片、纳米薄膜、介孔材料纳米棒、纳米丝与纳米线:1.2 纳米材料的基本单元•团簇(clusters) •纳米粒子（nanoparticle）•一维纳米材料(1D) •量子阱、量子线、量子点•纳米孔洞1.3 纳米粒子纳米粒子（纳米颗粒、纳米微粒、超微粒子、纳米粉）：一般指颗粒尺寸在1－100nm之间的粒状物质。

它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉。

早期称作超微粒子。

纳米颗粒是肉眼和一般的光学显微镜看不见的微小粒子。

名古屋大学的上田良二（R.Uyeda）给纳米颗粒的定义是：用电子显微镜才能看到的颗粒称为纳米颗粒。

纳米颗粒所含原子数范围在103－107个（1－100nm）。

其比表面比块体材料大得多，加之所含原子数很少，通常具有量子效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特异的性质。

1.4一维纳米材料（纳米管、纳米线（丝）、纳米棒）：指在两维方向上为纳米尺度，长度比其它两维方向的尺度大得多，甚至为宏观量（如毫米、厘米级）的纳米材料。

根据具体形状分为管、棒、线、丝等。

通常纵横比小的称为纳米棒，纵横比大的称为纳米丝或纳米线。

1 纳米材料的基本概念.ppt

计算机技术
信
通信技术
息主流核心技术控制技术
技术
软件技术网络技术广播电视技术
前沿技术
超导技术生物技术纳米技术虚拟技术
有关信息的获取、传输、处理控制的设备和系统的技术，3C技术是核心。注：C5I：指信息获取、通信、处理、控制、对抗（collection,communication Computing, control,countermeasure, intelligence )
Moore law提出后，曾有相当一部分人认为下一代的器件是分子电子器件。其理论基础是分子电子学。
因此，纷纷展开了分子电子学的研究，经过几年的工作
逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件之间有一个
过渡时期
纳电子器件。
三、Future Integrated Multichips Systems
RTD：quantum-wellresonant-tunneling diode
挑战: 减少癌症的病痛和死亡— 2015
“A Vision Not a Dream!” by using nanotechnology, A v. Eschenbach, NCI
手段/ 方法？
目标
早期发现和诊断
2015 10m
现状
发现和诊断
恶性肿瘤和转移
Year X 现在
过去 mm
Prevention 细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预防
靶向药物、饥饿疗法、热疗法治疗癌症
（2）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注
A
2.纳米电子器件概念的提出
（1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次

纳米技术PPT课件

纳米材料可分为人工制备与天然
天然：
•天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿
•蜜蜂：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的导航作用，并利用这种 “罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里的图像而判明方向。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
§6.6.5 纳米结构和纳米材料的应用
一、纳米结构的应用 1、量子磁盘与高密度磁存储 2、高密度记忆存储元件 3、高效能量转化纳米结构 (1) 高效再生锂电池： (2)太阳能电池： (3)热电转化
纳米材料——凝聚态物理纳米材料——半导体材料纳米材料——化学纳米材料——复合材料纳米材料——医学药物
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
§6.6.4 纳米材料在高科技中的地位
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法，对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究。
1970年，江崎与朱兆祥首先提出了半导体超晶格的概念，张立纲和江崎等在实验中实现了量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的物理效应。
四、光学应用

单分散无机功能材料6 功能纳米结构的化学控制合成与组装

Monomers
Peng X.G, et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 183-184
Peng X.G, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41
人工纳米结构的控制合成与组装
Surfactant-assisted kinetic-control formation mechanism
monodisperse CdE (E=S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115: 8706
R2M + ( TMS)2E ME ( M = Zn,Cd; E = Se,Te）
Cd(TDPA)2 +Se-TBPCdSe 通过表面活性剂C24H51OP（ TOPO）与C6H15O3P（HPA) 的加入控制产物形貌
零维（量子点）
一维（量子线）
二维（量子阱）
三维（？）
原子团簇
纳米管、
（人造原子）、纳米棒、
纳米微粒纳米线（丝）以及纳米尺寸
的孔洞
超薄膜、多层膜、超晶格
类似光子晶体结构
构筑纳米结构的过程----纳米结构的组装
功能纳米结构的概念
纳米结构的基元特性
❖具有纳米微粒的特性 : ➢ 量子尺寸效应 ➢ 小尺寸效应 ➢ 表面效应 ➢ 量子隧道效应 ➢ 库伦阻塞
功能纳米结构的概念
❖ 存在由纳米结构基元组合引起的新的效应： ➢ 量子耦合效应 ➢ 协同效应
❖ 通过结构剪裁，实现对物性的选择（人工物性剪裁）；通过对外场 (电、磁、光 )的响应，实现其功能。这就是功能纳米器件的设计基础。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

［综合评述］03-0429-08

收稿日期：2010-10-12．基金项目：国家重大科学研究计划项目（批准号：2011CB932401）和国家自然科学基金创新研究群体项目（批准号：20921001）资助．联系人简介：李亚栋，男，博士，教授，博士生导师，主要从事纳米材料的合成及应用研究．E-mail：ydli@mail．tsinghua．edu．cn彭卿，男，博士，副教授，主要从事无机半导体纳米材料的制备及性能研究．E-mail：pengqing@mail．tsinghua．edu．cn

在过去的20年间，晶态胶体粒子的制备技术有了长足的发展［1～9］．人们在不断获得各类新型纳米

晶的同时，也一直致力于探寻它们的功能性质，特别是希望在一定尺度上实现其规模化应用．将纳米晶作为构建单元，组装成三维有序的高级结构（组装体），并发挥整体的集合性能，被认为是由微观材料向介观甚至宏观器件模块迈进的一条可能的途径．胶体纳米晶三维有序组装体是纳米晶按照一定的规则立体堆积而形成的周期结构．这种结构往往与晶体中原子的长程有序阵列有很多相似性，也被人们称为纳米晶的“超结构”或者“超晶格”．其中规模较大的（尺寸不小于微米量级）、块状的纳米晶超晶格又被称为“超晶体”或“胶体晶体”．超晶格的构筑主要依靠纳米晶本身或者其表面修饰分子之间存在的范德华力、电性力、磁作用力、分子表面作用和熵驱动作用等，Grzybowski等［10］已经就此作出了较为全面的论述（表1）．Table1Interactionpotentialsfornanocrystals（sphericalmodels）［10］

InteractiontypeFormulaRange1纳米晶三维有序组装体的研究价值

目前，许多具有晶体学周期堆垛方式的纳米晶组装体已经被成功构建．研究表明，这些组装体在一定程度上具有“晶化”和“生长”行为，同样也有位错［11］和孪晶［12］等典型的晶体学特征．甚至准晶结构也可以由纳米晶组装而成［13］．既然纳米晶三维有序组装体的构造模式与原子晶格结构非常接近，就

不妨将这种人造的超晶格作为研究晶体构成、演化和表现的直观模型．从比较研究的角度讲，大家一面力求依据现有的晶体学理论来指导制备超晶格，预测其性质；另外也致力于借助纳米晶超结构来更好地认识晶体．纳米晶超结构受到学界的广泛关注，不仅因为它们有作为晶体学模型的研究价值，还因为它们会体现出孤立纳米晶所不具备的集合性能，即纳米晶的个体属性并未改变，但在整体上却产生了新的应用性能．集合性能主要来自3个方面：（1）有序排列的相邻纳米晶在电、磁等作用下彼此互相影响，使自身原本的性质发生变化［14，15］．例如，Bawend和Murray等［16］很早就发现，由于粒子间的耦合效应，半导体量子点的光致发光谱会出现红移现象．（2）由于组装体的周期性有序结构而产生的新性质，比如形成某种特定尺寸的有序孔道（介孔特性）［17］以及构造出光子带隙（光子晶体特性）［18］．（3）不同功

能的纳米晶通过二元或二元以上组装形成复合材料，使其整体表现出各独立组元的综合特性．

2纳米晶三维有序组装体的几类制备方法

2．1胶体溶液蒸发法

通常，单分散胶体纳米晶的形貌和尺寸控制是借助于活性剂分子在晶体粒子表面的吸附包裹行为来实现的．活性剂分子之间存在着相互作用场（以范德华力为最普遍形式），故而在一定条件下纳米晶粒子会受到热力学驱动而自发地进行有序组装．作为一种形成有序纳米晶组装结构的传统方法，胶体溶液蒸发法遵循了上述的原理．该方法和晒

Fig．1Schematicillustrationofthesolventevaporationmethod［19］Nanocrystalsuperlatticesaredepositedonasolidsubstratebycontrollingevaporationofthesolventofcolloidalsolution．

制无机盐的过程类似，即将预先制得的由长链有机分子包裹的纳米晶粒子分散于适当溶剂中形成胶体溶液，随着溶剂的蒸发，胶体溶液的浓度逐渐增大，导致纳米晶粒子从液相中“结晶”析出至容器壁或者预置衬底上（如图1所示）．这种方法应用的重要前提是作为组装基元的纳米晶要具有高度均匀的尺寸，此外胶体溶液的浓度和溶剂挥发速率等因素也会影响组装产物的有序度和规模［11，19～21］．

Fig．2Agnanocrystalsuperlattice［22］近年来，有若干研究小组采用胶体溶液蒸发法在纳米晶的立体组装方面做出了有价值的工作．比如，Yang等［22］将Ag纳米晶组装成“等离子体晶体”（图2），在可见光波段实现了频率选择性响应；Wang和Chen等［23］用几种均一而不同形貌的Au纳米晶在硅衬底上构建了单构和双构

的三维有序结构，并发现有序堆积使得Au纳米棒的双光子激发性能有所增强；Korgel等［24］则将衬底斜置于Fe2O3纳米

晶（A）和Au纳米晶（B）共混的胶体溶液中，得到了AB2型的二元类晶体结构，并

034高等学校化学学报

Vol．32对产物的结构缺陷加以探讨．不过总的来说，由于沉积物对基底的平面依附效应，直接蒸发溶剂的方法就制备块状超晶体而言并无优势，多被用于获得连续的层状组装结构［25，26］．

2．2不良溶剂扩散法

如果一种溶剂能有效地分散纳米晶并形成胶体溶液，那么我们就将其称为纳米晶的良溶剂，反之则称为不良溶剂．例如，对于长链有机分子包裹的纳米晶，弱极性溶剂通常为良溶剂，而极性溶剂通常为不良溶剂．事实上，在早期人们以挥发溶剂的方法组装纳米粒子时，已经尝试过在弱极性体系中加入少量极性溶剂，收到了很好的效果．1995年，Bawendi和Murray等［16］将CdSe量子点分散于含90%辛烷和10%辛醇的混配溶剂中，在一定条件下低沸点的辛烷优先挥发，使胶体溶液的浓度不断增

大，同时极性溶剂辛醇的百分含量也逐渐上升，从而得到了CdSe胶体晶体．2001年，Rogach和Talapin等

［27］

进一步发展出了一种不良溶剂扩散法（图3），其原理是将纳米晶

分散在其良溶剂中，然后向体系中加入不良溶剂，随着不良溶剂向良溶剂中缓慢地扩散，在原分散相和非溶剂层的接合部，纳米晶的“溶解度”会比加入不良溶剂前大大降低，这样就形成了局部过饱和的胶体溶液环境，于是纳米晶组装体便得以析出．如果引入适当的第三溶剂，在不良溶剂层和良溶剂层之间设置一个缓冲层，降低不良溶剂扩散的速度，则会使纳米晶组装得更为缓慢，形成的有序结构的质量也会更高．这类方法已经被成功地用于制备CdSe［27，28］，FePt［29］，CoPt3［28］，PbS［12，28］，Ni［21］和Au［30］等多种纳米晶超结构，但操作起来耗时较长，往往少则一周，多则数月．

Fig．3Schemeofthenon-solventdiffusionmethod［27］（A）andmicroscopyimagesofPbSnanocrystalsandtheir3D

assemblies［28］［（B）—（E）］

（B）TEMimageofPbSnanocrystals；（C）opticalmicroscopy；（D）SEMimagesofasupercrystal；（E）high-resolutionSEMimageoftightlypackedsurfaceofPbSsupercrystal．2．3胶束引导法

胶体溶液蒸发法和不良溶剂扩散法都是依赖于有机液相来完成纳米晶组装的．为了在含水介质中实现类似的过程，人们不断探索，形成了一种胶束引导有序集聚的策略．采用该方法时，首先把有机相分散的粒子体系移入表面活性剂（如长链烷基磺酸钠或长链烷基三甲基溴化铵）的水溶液中，而后挥发掉有机溶剂，使粒子包裹于形成的胶束之中，再利用胶束的引导作用通过后续不同的处理工艺得到超晶格组装体．

Fig．4Formationofwater-solublegoldnanocrystal-micellesthroughsurfactant/lipidencapsulationandtheirself-assembly［31］（A）andarepresentativetransmissionelectronmicrographof

3Dgoldnanocrystal-micellesuperlattice（B）

Fan等

［31，32］

将前驱体胶束溶液直接脱水沉积于衬底表面，制备了Au等纳米晶的立方结构三维有

序阵列（图4）．本课题组［17，33］利用胶束微乳液中的油相液滴为模板，获得了一系列单质和化合物的有

134No．3孟令镕等：从纳米晶到三维超晶格结构Fig．5Schemeoftheemulsion-basedbottom-upself-assemblymethod［33］Fig．6TypicalTEMimagesofthecolloidalspheres［33］ofBaCrO4（A，B）andAg2Se（C，D）序“胶体球”结构（图5和图6），并对双组元纳米晶复合功能材料的组装进行了初步的尝试［34］．Cao

等［35～37］则将Fe3O4和CdSe/CdS纳米晶胶束注入乙二醇体系中，靠改变溶剂环境的极性使纳米晶聚集成球团，再经液相退火使球团状聚集体最终“晶化”成有序结构．2．4一些其它方法

2．4．1氢键连接法氢键连接法是又一种制备亲水性纳米晶三维超结构的方法，操作流程是先在晶

体粒子表面修饰上含大电负性元素的分子，然后利用水分子中的H和修饰分子上的大电负性原子形成氢键，从而将纳米粒子连接组装在一起．Kimura课题组［38～42］在这方面做了许多工作，他们制备了Au、Ag纳米晶的超晶体，并就其功能化展开了一些有益的研究（图7）．值得注意的是，目前氢键连接法主

要适用于强酸性体系，这就要求被组装的纳米粒子必须耐酸．

Fig．7Watermoleculeconnectwithcarbonylgroupsfromdifferentgoldparticlesthatpassivatedbymercaptosuccin-icacid（MSA），resultinginaggregationofgoldparticlesinahumidcondition［40］（A）andmicroscopeimages

ofgoldparticlesupercrystals（B）（Inset：low-angleelectrondiffractionfromonesuperlattice）2．4．2静电聚集法这种方法的思路是先通过表面修饰使纳米晶粒子带上电荷，然后将电性相反的

234高等学校化学学报