纳米化学与纳米材料

第二章纳米化学基本概念与纳米材料,本章内容一、纳米化学的基本概念二、纳米材料的组成三、由纳米材料基本单元构筑的纳米材料,一、纳米化学的基本概念,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。,1、定义,2、分类,1）如果按照维数，纳米材料可以分为以下三类：（1）零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度范围内的材料，如，纳米尺度颗粒、原子团簇等。,一、纳米化学的基本概念,2、分类,（2）一维纳米材料：指空间三维尺度中，有二维尺度处于纳米尺度范围内的材料，如，纳米丝、纳米棒、纳米管等。（3）二维纳米材料：指空间三维尺度中，有一维尺度处于纳米尺度范围内的材料，如，纳米薄膜等。,2）如果按照形状，纳米材料可以分为：（1）纳米颗粒和粉体、纳米管、纳米绳、纳米线、纳米带、纳米片、纳米针、纳米薄膜、介孔材料等。（2）纳米棒、纳米丝与纳米线AR小者=纳米棒长度(length)1mAR大者=纳米丝/纳米线长度(length)1m,TEM下的纳米颗粒,纳米粉末,纳米材料的分类,SEM下的纳米纤维,纳米纤维,纳米膜纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。,体相纳米材料（由纳米材料组装而成）。,二、纳米材料的基本单元团簇(clusters)；纳米粒子(nanoparticles)；一维纳米材料（1D）；量子阱（quantumwells）、量子线（quantumlines）、量子点（quantumdots）；纳米孔洞（nanopores，mesoporous）。,2.1团簇,1、团簇的分类：1）一元原子团簇，如，Nan，Nin，C60，C702）二元团簇，如，InnPm，AgnSm3）多元团簇，如，Vn(C6H6)m4）原子簇化合物，是原子团簇与其它分子以配位键结合形成的化合物（例如，某些Fe-S团簇的蛋白质分子）,1985年前，碳的固体形态只有两种：金刚石与石墨1985年，美国科学家斯莫利、柯尔与英国科学家克罗托合作，共同发现了碳的第三种同素异形体：富勒烯，这三位获诺贝尔化学奖。1991年日本科学家Iijima在制备富勒烯后的石墨阴极沉积物上发现了碳的第四种同素异形体:碳纳米管。,碳的同素异形体,碳纳米管,金刚石,石墨,C60,C80,狮子,用扫描隧道显微镜拍摄的富勒烯照片，可以见到C60的单个分子,2020/6/7,18,团簇的性质与用途：团簇的物理和化学性质随所含原子数目而变化，其许多性质既不同于单个原子、分子，也不同于大块固体。团簇在量子点激光、单电子晶体管、尤其作为构造结构单元研制新材料有广阔的应用前景。,2.2纳米粒子纳米颗粒的定义：用电子显微镜才能看到的颗粒称为纳米微粒。纳米微粒所含原子数范围在103107个（1-100nm）。,2020/6/7,21,纳米晶,2.3一维纳米材料包括：纳米线（丝）、纳米棒、纳米管通常纵横比小的称作纳米棒，纵横比大的称为纳米丝或纳米线。,2020/6/7,24,2020/6/7,25,2020/6/7,26,2020/6/7,27,2020/6/7,28,碳纳米管简介,又叫巴基管，碳的同素异形体由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管,纳米碳管的结构,碳原子整齐排列，形成碳薄片，被卷成圆管形狀的薄片就纳米碳管,碳薄片,理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管(SWNT)，多于一层的则称为多壁碳纳米管(MWNT)。,碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为SWNT，MWNT(包含2层、3层、4层石墨片层),LowtemperatureSTMimagesofacarbonnanotube,碳纳米管的性质,优良的导体和半导体特性。高的比表面积。强的吸附性能。优良的光学特性。质量很轻。,高的机械强度和弹性。强度100倍的钢，密度1/6倍的钢,碳纳米管的应用微型马达,组成超微细马达世界将出现0.000001米以下的机器甚至是机器人,碳纳米管的应用微型马达,组成超微细马达世界将出现0.000001米以下的机器甚至是机器人,碳纳米管的应用微型马达,组成超微细马达世界将出现0.000001米以下的机器甚至是机器人,碳纳米管的应用微型马达,组成超微细马达世界将出现0.000001米以下的机器甚至是机器人,碳纳米管的应用平面显示器,极佳的电子发射器“避雷针”可用于制作平面显示装置,碳纳米管的应用平面显示器,厚度可达致一厘米拥入有宽广的视角范围和光亮的画面,碳纳米管的应用纳米充电电池,电池的容量是一般充电电池的三倍大幅延長使用时间重量将大大减低,手提电话电池,手提电脑电池,数码相机电池,2020/6/7,纳米收音机,2007年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家亚历克斯策特尔(AlexZettl)及其同事发明了一种纳米管收音机，拥有一身令人称奇的好功夫：单单一根碳纳米管就可以接收广播信号，放大并转换成音频信号，发送到外接扩音器上。策特尔宣称，纳米收音机将“轻松嵌入一个活细胞。到时候，制造一个与大脑或肌肉功能接口的装置，或者能用无线电控制在血管中游动的器件将不再是梦想”。,2.4量子阱（quantumwells）、量子线（quantumlines）量子点（quantumdots）,因为纳米结构单元具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。,量子阱：是指载流子在两个方向(如在X，Y平面内)上可以自由运动，而在另外一个方向(Z)则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长（d=h/(2mE)1/2）或电子的平均自由程（L2DEG=h/q.(2ns)1/2）相比拟或更小。有时也称为二维超晶格。,量子线：是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另外两个方向上则受到约束。也叫一维量子线。量子点：是指载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的。也叫零维量子点。,当金属或半导体粒子的尺寸足够小时，将产生量子限制效应，即微粒的电荷和能量是量子化的，这样的微小粒子团被称为量子点。,由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构,因此量子点又被称为人造原子,2.5纳米孔nanopores,2020/6/7,47,三、由纳米材料基本单元构筑的纳米材料纳米固体纳米复合材料纳米结构体系,3.1纳米固体,3.2纳米复合材料（nanocompositmaterial）0-0复合：不同成分，不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体。0-2复合：把纳米粒子分散到二维薄膜材料中。0-3复合：把纳米粒子分散到常规的三维固体中。介孔材料：把纳米粒子填充到介孔材料的介孔之中。,3.3纳米结构体系纳米结构又称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺寸的图案材料，纳米结构指的是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系，它包括一维、二维和三维体系。,2020/6/7,52,2020/6/7,53,Nanopeapod,high-resolution,low-temperaturescanningtunnelingmicroscope(STM)(Science-1February2002),Nanorings,JACS2005,SemiconductorRingsFabricatedbySelf-AssemblyofNanocrystalsBinLiuandHuaChunZeng*ContributionfromtheDepartmentofChemicalandBiomolecularEngineering,FacultyofEngineering,NationalUniVersityofSingapore,10KentRidgeCrescent,Singapore119260,Nano-flowers,中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。,研究内容以Report形式于2005年8月5日发表在Science上。文章发表后在国际上引起了强烈的反响。Nanotechweb和ORFONScience网站当天就分别以“应变的微结构形成类植物花样”和“微观世界的花朵”作了长篇介绍。,纳米结构的特性和意义从基础研究角度：把人们对纳米材料基本物理效应的认识不断引向深入。把纳米材料的基本单元分离开来，使研究单个单元的行为、特性成为可能；有利于认