纳米材料基本概念与性质

1、第二章第二章 纳米材料的基本概念与性质纳米材料的基本概念与性质 基本内容基本内容第一节 纳米材料的基本概念纳米材料应该包括两个基本条件纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在一是材料的特征尺寸在1100 nm之间，之间，二是材料具有区别常规尺寸材料的一些特殊的物理化二是材料具有区别常规尺寸材料的一些特殊的物理化学特性。学特性。表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应道效应 二 纳米材料的分类零维的纳米材料粒子（零维的纳米材料粒子（PbS纳米粒子纳米粒子）纳米线纳米阵列具有超延展能力的纳米晶铜带 一维纳米材料二次氧化获得的氧化铝模板的SEM照片 （a）样品

2、正面；（b）样品反面（未通孔）；（c）样品反面（通孔） 在氧化铝模板中生长的碳纳米管的SEM照片 a）样品的斜截面;（b）模板经NaOH部分溶解后形成的碳纳米管束 纳米管庆典礼花用物理气相沉积（PVD）法制备的ZnO纳米棒的SEM图象森林直立在Au薄膜上的单壁碳纳米管的STM图像2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林托斯藤-兹欧姆巴在德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点：高15nm，直径70nm。使用静电力显微镜获取直径为18nm的碳纳米管发出的电荷。图中明亮的光晕是由纳米管帽发射出的电荷所产生的，放电时，纳米管则变暗 。 纳米单层与多层薄膜15层超晶格原子团簇绝大多数原子团簇的结构不清楚

3、，已知有线状、层状、管状、洋葱状、球状和骨架状等。 当前能大量制备并分离的团簇是当前能大量制备并分离的团簇是C60(富勒烯富勒烯)(富勒烯富勒烯)原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子团簇、多元原子团簇和原子簇化合物团簇、多元原子团簇和原子簇化合物C60的结构：的结构：C60(富勒烯富勒烯) 由由60个碳原子排个碳原子排列而成的列而成的32面面体，其中体，其中20个个六边形，六边形，12个个五边形，其直五边形，其直径为径为0.7nm。幻数：构成碳团簇的原子数幻数：构成碳团簇的原子数幻数为幻数为20，24，28，32，36，50，60，70,90具有高稳定具有高

4、稳定性，其中又以性，其中又以C60最稳定。最稳定。制备制备C60常用的方法：常用的方法：采用两个石墨碳棒在惰性气体（采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流）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。挥发物中除了有发物中除了有C60外，还含有外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可等其它碳团簇。可以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。笼状结构使其比石墨和金刚石轻得多笼状结构使其比石墨和金刚石轻得多表面碳原子不含有未饱和悬挂键，所以化学性质稳定表面碳原子不含有未饱和悬挂键，所以化学性质稳

5、定具有优良的光学、超导、磁、电等特异性能具有优良的光学、超导、磁、电等特异性能 C60特性特性日本名古屋大学上田良二教授曾经给纳米微粒下了一个定义：用电子显微镜用电子显微镜(TEM)(TEM)能能看到的微粒称为纳米微粒。看到的微粒称为纳米微粒。550 nm的纳米颗粒在高真空下压制成的纳米材料可以制成紫外反射涂层、红外吸收涂层、微波隐身涂层及纳米功能薄膜材料。纳米薄膜与纳米涂层纳米固体是纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。简单的说，简单

6、的说，具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。 纳米固体材料纳米固体材料（nanostructured materials）的主要特征是的主要特征是具有巨具有巨大的颗粒间界面大的颗粒间界面，如纳米颗粒所构，如纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含成的固体每立方厘米将含1019个晶个晶界，原子的扩散系数要比大块材料界，原子的扩散系数要比大块材料高高10141016倍，从而使得纳米倍，从而使得纳米材料具有高韧性。材料具有高韧性。纳米固体材料含有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

7、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1000C的航天飞机隔热材料、复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。纳米复合材料纳米复合材料碳纳米管碳纳米管、纳米棒、纳米丝、纳米棒、纳米丝 碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但：但：导电率是铜的导电率是铜的1万倍万倍 强度是钢的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一倍而重量只有钢的七分之一。像金刚石那样像金刚石那样硬硬，却有，

8、却有柔韧性柔韧性，可以拉伸。，可以拉伸。熔点熔点是已知材料中是已知材料中最高最高的。的。氮化硅纳米丝以碳纳米管为模板合成氮化硅以碳纳米管为模板合成氮化硅纳米丝纳米丝用微米级用微米级SiO2、Si和混合粉末为原料，用碳纳米管覆盖其和混合粉末为原料，用碳纳米管覆盖其上作为模板，以氮气为反应气合成了一维氮化硅纳米线体。上作为模板，以氮气为反应气合成了一维氮化硅纳米线体。第二节第二节 纳米微粒的基本性质纳米微粒的基本性质纳米材料四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大 当粒子尺寸减小到当粒子尺寸减小到纳米级纳米级的某一尺寸，材料的的某一尺寸，材料的物性物性会发生突会发生突变，与同组分的

9、常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的性能有不同的临界尺寸临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强烈表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及烧的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及烧结性能。这主要是由纳米材料的四大效应引起。结性能。这主要是由纳米材料的四大

10、效应引起。表面效应表面效应n纳米微粒尺寸小，表面能高，纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比位于表面的原子占相当大的比例例n左边表格列出纳米微粒尺寸左边表格列出纳米微粒尺寸与表面原子数的关系：与表面原子数的关系：随着粒径减小，表面原子数迅速增加这是由于粒径小，表面积急剧变大所致例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2g， 粒径为5nm时， 比表面积为180m2g，粒径下降到2nm，比表面积猛增到450m2g 100 80 60 40 20 0 比例（%） 表面原子数相对总原子数 0 10 20 30 40 50 例如例如：A A：金属的纳米粒子在空气中会燃烧金属的纳米粒子在空气

11、中会燃烧 B B：无机的纳米粒子暴露在空气中会：无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应吸附气体，并与气体进行反应表面原子特点：表面原子特点：原子配位不满，多悬空键，高表面能，原子配位不满，多悬空键，高表面能，高表面活性，高表面活性，使这些表面原子具有高的活性，极使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。不稳定，很容易与其他原子结合。小尺寸效应小尺寸效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应量子尺寸效应量子尺寸效应 金属费米能级附近电子能级在高温或金属费米能级附近电子能级在高温或宏观尺寸情况下一般是连续的，单当微粒尺寸下降到宏观尺寸情况下一般是连续的，单当微粒尺寸下降到某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存续能级变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象，称为量子尺寸效应。子轨道能级而使能隙变宽的现象，称为量子尺寸效应。量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、热以及超导电性与同一物质原有性质有显著差异