《功能材料学概论》纳米材料(1)ppt课件

1、第一第一节节 纳纳米米资资料和料和纳纳米技米技术简术简介介第二第二节节 纳纳米粉体米粉体资资料料第三第三节节 纳纳米米块块体体资资料料 第一第一节节 纳纳米米资资料和料和纳纳米技米技术简术简介介纳纳米米资资料和料和纳纳米技米技术术的的兴兴起与开展起与开展纳纳米米资资料的分料的分类类纳纳米米资资料的根本性料的根本性质质第二第二节节 纳纳米粉体米粉体资资料料第三第三节节 纳纳米米块块体体资资料料 mmmmnm96310101011.纳米资料和纳米技术的兴起与开展“There is a plenty of room at the bottom Richard P. Feynman . Why can

2、not we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? Lets see what would be involved. The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encycl

3、opaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch-that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in

4、 the Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter-32 atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms .Karlsruhe研讨中心主席纳米技术研讨所首任所长H. Gleiter 20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GBinning和HRohrer发明

5、了扫描隧道显微镜。 STM：直接察看到物质外表的原子构造 根本原理：量子隧道效应用一个极细的针尖接近样品外表，当针尖和外表靠得很近时(1nm)，假设在针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会经过针尖和样品构成的势垒而构成隧道电流STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，推进了纳米科技的开展。 STM针尖硅外表 利用探针针尖与外表之间的各种相互作用，可以用来分析高分辨率成像。 1986年Binning等人发明了原子力显微镜AFM STM 与ATM共同构成了现今称之为扫描探针显微镜SPM的两大主体技术。19901990年年IBMIBM在在NiNi外表用外表用3535个氙原个氙原子排出子排出“IBM“

6、IBMC60 铜外表STM和AFM：观测到原子在物质外表的陈列形状，对外表科学、资料科学、生命科学以及微电子技术的研讨有着艰苦意义和重要运用价值G.Binning和H.Rohrer与电子显微镜的创制者E.Ruska教授一同荣获1986年诺贝尔物理奖。Ernst Ruska Gerd BinnigHeinrich Rohrer for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope for their design of the scanning tunnel

7、ing microscopeIBM Zurich Research Laboratory Rschlikon, Switzerland .Just imagine, materials with 10 times the strength of steel and only a fraction of the weight; shrinking all the information at the Library of Congress into a device the size of a sugar cube; detecting cancerous tumors that are onl

8、y a few cells in size .纳米资料和纳米技术 纳米资料：由尺寸在纳米资料：由尺寸在1 1100nm100nm间的粒子或晶粒组成的资料。间的粒子或晶粒组成的资料。 处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的微处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的微观和宏观的观念看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典观和宏观的观念看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统型的宏观系统 将宏观物体细分成超微颗粒纳米级后，将显示出将宏观物体细分成超微颗粒纳米级后，将显示出许多奇特的特性，即光学、热学、电学、磁学、力学以及化许多奇特的特性，即光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的

9、性质和大块固体时相比将会有显著的不同学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同纳米技术是90年代初迅速开展起来的新的前沿科研领域。它是指在1-100nm尺度内，研讨电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目的是人类按照本人的意志直接支配单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。纳米技术主要包括为微型电动机械系统(minisize electromotion mechanism system，MEMS)；纳米电子学和纳米生物药物学等。 纳米技术：第一第一节节 纳纳米米资资料和料和纳纳米技米技术简术简介介纳纳米米资资料和料和纳纳米技米技术术的的兴兴起与开展起与开展纳纳米米资资料的分料

10、的分类类纳纳米米资资料的根本性料的根本性质质第二第二节节 纳纳米粉体米粉体资资料料第三第三节节 纳纳米米块块体体资资料料 2. 纳米资料的分类：纳米微粒纳米固体纳米自组装体系 a. 纳米微粒纳米粉体纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子簇(cluster)，小于通常的微粒。通常，把仅含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒于称为“簇，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。 10-1010-910-810-710-610-510-4电子显微镜光学显微镜原子分子团簇纳米颗粒超微颗粒粉体宏观体系介观体系微观体系各种颗粒的粒径范围纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体与普通资料相比，

11、纳米资料的界面体积显著提高b. 纳米固体纳米固体的分类：按几何形状分：按几何形状分：纳米纤维资料纳米纤维资料纳米薄膜资料纳米薄膜资料纳米块体资料纳米块体资料按组成相数分：按组成相数分：纳米相资料纳米相资料纳米复合资料纳米复合资料纳米固体分类表示图 c. 纳米组装体系纳米组装体系研讨的特点要强调按人们的志愿设计、组装、发明新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。第一第一节节 纳纳米米资资料和料和纳纳米技米技术简术简介介纳纳米米资资料和料和纳纳米技米技术术的的兴兴起与开展起与开展纳纳米米资资料的分料的分类类纳纳米米资资料的根本性料的根本性质质第二第二节节 纳纳米粉体米粉体资资料料第三第三

12、节节 纳纳米米块块体体资资料料 3. 3. 纳米资料的根本性质纳米资料的根本性质小尺寸效应 外表与界面效应 量子尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，当纳米微粒的尺寸与光波的波长、超导态的相关长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时, 周期性的边境条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力学等特性均会出现量变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。小尺寸效应对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比外表积亦显著添加，从而产生如下一系列新奇的性质。1 特殊的光学性质2 特殊的热学性质3 特殊的磁学性质4特殊的力学性质 纳米微粒尺寸小、外表大，位于外表的原子占相当大的比例。以下图外表原子数占全部原子数

13、的比例和粒径之间的关系。外表与界面效应外表原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准延续变为离散能级的景象称为量子尺寸效应。能带实际阐明，金属费米能级附近电子能级普通是延续的，这一点只需在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只需有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的。 量子尺寸效应日本科学家Kubo提出过能级间距的计算方法，并给出著名公式NEF34为能级间距，EF为费米能级；N为总电子数。20世纪50年代注重微米技术的国家，如今都去得了很大的开展，同样，如今注重纳米科技的国家，将在21世纪获得高速开展。一 . 纳米粉体资料的特性二 .

14、 纳米粉体资料 纳米碳管三. 纳米氧化物粉体资料的运用四. 纳米粉体资料的表征五. 纳米粉体资料的制备热学特性 熔点降低 烧结温度降低 光学特性 宽频带强吸收 红移和蓝移 热学特性：Au的熔点：1336K；2nm的金粒子约在327K开场熔化Ag的熔点：1233K，银纳米粒子在低于熔点373K熔化Pb的熔点：600K， 20nm的铅粒子约在312K开场熔化Cu的熔点：1326K ，40nm的铜粒子约在1023K开场熔化。 a. 熔点降低Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系： 纳米微粒的熔点比常规粉体低得多。这是由于纳米微粒的尺寸小，外表能高、比外表原子数多，这些外表原子近邻配位不全，活

15、性大以及体积远小于大块资料。纳米粒子熔化时所需添加的内能小得多。这就使得纳米微粒熔点急剧下降。 b. 烧结温度降低所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末相互结合，密度接近于资料的实际密度的温度。 常规A12O3烧结温度在2073-2173K，在一定条件下纳米Al2O3可在1423K-1773K烧结，致密度可达99.7。常规Si3N4烧结温度高于2273K，纳米氮化硅烧结温度降低400-500K。 TiO2韦氏硬度随烧结温度的变化纳米粒子尺寸小，外表能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子分散。因此，在较低

16、温度下烧结就能到达致密化目的。2. 纳米资料的光学性质纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差不多，小颗粒的量子尺寸效应非常显著。与此同时，大的比外表积使处于外表的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这种外表效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同样物质的宏观大块物体不具备的新的光学持性 人体辐射电磁波长主要雷达波长宽频带强吸收 大块金属不同颜色的光泽：对可见光范围各种颜色(波长)光的反射和吸收才干不同。 各种金属纳米微粒：黑色 对可见光的反射率极低，对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。 0510152025-1.0-0.50

17、.00.51.0Y Axis TitleX Axis Title B0510152025-1.0-0.50.00.51.0Y Axis TitleX Axis Title Bhv2纳米氮化硅、SiC及Al2O3等纳米粒子对红外有一个宽频带强吸收谱。 尺寸分布效应。通常以为纳米资料的粒径有一定的分布，不同颗粒的外表张力有差别，引起晶格畸变程度也不同。这就导致纳米资料的键长有一个分布，以为这是引起红外吸收宽化的缘由之一。b. 界面效应。界面原子的比例非常高，导致不饱和键，缺陷非常多。界面原子除了与体相原子能级不同外，相互之间也能够不同，从而导致能级分布的展宽。与大块资料不同，没有一个单一的，择优的

18、键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光的作用下对红外光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。分析详细体系要综合思索各种要素，不能一概而论。纳米资料红外吸收的微观机制研讨还有待深化。一 . 纳米粉体资料的特性二 . 纳米粉体资料碳纳米管三. 纳米氧化物粉体资料的运用四. 纳米粉体资料的表征五. 纳米粉体资料的制备二、 纳米粉体资料-碳纳米管1.1.单壁碳纳米管单壁碳纳米管Single walled carbon nanotubeSingle walled carbon nanotube， SWNTSWNT具有单层碳管构造，直径通常少于具有单层碳管构造，直径通常少于2nm2nm，最，最小的直径目前为小的直径目前为0.4nm0.4nm，长度可达数微米，长度可达数微米2. 多壁纳米碳管：多于一层的纳米碳管那么称为多壁纳米碳管( Multi-walled carbon nanotube, MWNT)多壁碳纳米管直径：10-30nm或更粗 ，长度普通在微米量级，最长者可达数毫米 石墨电弧法实验安装图独特的电学性能 与纳米碳管的几何尺寸和管的螺旋度有关，随参数的变化，可以显示出导体，半导体，绝缘体的性能。 0.65K 超导电性10nm8 mm18.2nm0.051 um8.5nm19.5um13.9nm7.8 umCu0.0175u