纳米材料综述

纳米材料综述目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 2\o"CurrentDocument"应用现状与应用前景 2\o"CurrentDocument"2.1纳米材料各方面的性能在实际中的应用归纳如下： 2\o"CurrentDocument"应用前景 3\o"CurrentDocument"微电子和光电子领域 3\o"CurrentDocument"陶瓷领域 3\o"CurrentDocument"生物医学中的纳米技术应用 4\o"CurrentDocument"纳米材料的概述 4\o"CurrentDocument"纳米材料的定义 4\o"CurrentDocument"纳米材料的分类 5\o"CurrentDocument"纳米材料的特性 6\o"CurrentDocument"纳米材料的制备 6\o"CurrentDocument"3.4.1物理制备方法 6\o"CurrentDocument"化学制备方法 7\o"CurrentDocument"国内发展情况 8引言一纳米等于十亿分之一米，相当于人的头发丝直径的八万分之一。纳米材料被誉为“21一世纪最具有前途的材料”，与信息技术和生物技术并成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。材料的结构决定材料的性质，纳米材料的特殊结构决定它具有一些特异性质，从而纳米材料具有常规材料没有的性质，从而使纳米材料得到更广泛的应用。纳米材料在化工、工程材料、信息、生物医学、军事等领域都得到了充分的应用。在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域最富有活力对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技最为活跃、最接近应用的重要组成部分。顾研究纳米材料对我国未来的发展具有重要作用。应用现状与应用前景纳米材料各方面的性能在实际中的应用归纳如下：性能用途力学性能超硬、高强、高韧、超塑性材料，特别是陶瓷增韧和高韧高硬涂层光学性能光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光过滤材料、光存贮、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、红外线传感器、光折变材料磁性磁流体、磁记录、永磁材料、磁存储器、磁光元件、磁探测器、磁制冷材料、吸波材料、细胞分离、智能药物电学性能导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏电阻、非线性电阻、静电屏蔽催化性能催化剂热学性能耐热材料、热变换材料、低温烧结材料敏感特性湿敏、温敏、气敏等传感器、热释电材料其他医学（细胞分离，细胞染色，医疗诊断，消毒杀菌，药物载体）、能源（电池材料，贮氢材料）环保（污水处理，废物料处理，空气消毒）、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷油墨、润滑剂应用前景由于纳米微粒具有特殊的物理效应,使得它们在磁、光、电和对周围环境（温、气氛、光、湿度等）敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。因此,纳米材料在催化、传感、电子材料、光学材料、磁性材料、高致密度材料的烧结、陶瓷增韧以及仿生材料等方面有广阔的应用前景［14-17］。目前纳米材料的应用主要侧重于如下方面:微电子和光电子领域,生物和医学领域,催化剂领域,磁学领域,陶瓷领域等。现将纳米材料在微电子、光电子领域以及陶瓷领域中的应用,作简要说明。微电子和光电子领域纳米电子学立足于最新的物理学理论和最先进的工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存和处理信息的能力,实现信息采集和处理能力的革命性突破,纳米电子学将成为本世纪信息时代的核心。随着纳米技术的发展,微电子和光电子的结合更加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面,使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上,可使其能力提高几十倍至几百倍,甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。有报导,可以运转的“分子马达”已被制备出来,这将在“分子”水平上的纳米器件及信息处理上有潜在的应用价值［19］。纳米团簇在量子激光器、单电子晶体管等许多领域都有重要应用［20］。另外,量子元件还可以使元件的体积大大缩小,使电路大为简化,因此,量子元件的兴起将导致一场电子技术的革命。陶瓷领域随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生。精细陶瓷是以人工合成的高纯度纳米粉末为原料,经过粉体处理、成形、烧结、加工及设计等高技术工艺制成的含微细结构及卓越性能的无机非金属材料。它具有坚硬、耐磨、耐高温、耐腐蚀的性能,有些陶瓷材料还具有能量转换、信息传递功能等。此外,纳米陶瓷的高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗,特别是光吸收效应都将成为材料开拓应用的一个崭新领域,并对高技术及新材料的发展产生重要作用［21］。例如,现已证实，纳米陶瓷CaF2和Ti02在常温下具有很好的韧性和延展性能。德国Saddr-land大学的研究发现,CaF2和Ti02纳米陶瓷材料在80~180°C内可产生约100%的塑性形变，而且烧结温度降低，能在比大晶粒样品低600C的温度下达到类似于普通陶瓷的硬度［22］。许多专家认为,如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题,则纳米陶瓷将具备高硬度、高韧性、低温超塑性和易加工等优点。生物医学中的纳米技术应用正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片（生物分子芯片）和基因芯片（即DNA芯片）等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。纳米材料的概述纳米材料的定义纳米（Nanometer）,是一种长度单位，即1米的十亿分之一，单位符号为nm。纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。用纳米这么小的微粒制成的材料就是纳米材料。和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光、电、磁、热和力、化学等方面的性质。图1纳米颗粒材料SEM图对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和光谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；

二是发展新型纳米材料，包括新型纳米材料合成方法的探索和对常规材料的纳米修饰与改性。目前，在纳米材料的应用中所遇到的关键技术问题是：在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。纳米材料的分类纳米材料可从维数、组成相数、导电性能等不同角度进行分类。由于纳米材料主要特征在于其外观尺度，从三维外观尺度上对纳米材料进行分类是流行的分类方法。基本类型尺度、形貌与结构特征实例零维纳米材三维尺度均为纳米级，无明显的原子团簇，量子点，纳米微粒料取向性，近等轴状—维纳米材单向延伸，二维尺度为纳米级，纳米棒，纳米线，纳米管，纳米晶须、纳料第二维尺度不限米纤维、纳米卷轴、纳米带单向延伸，直径大于100nm，具有纳米结构。纳米结构纤维二维纳米材—维尺度为纳米级，面装分布纳米片，纳米板，纳米薄膜，纳米涂层，料单层膜，纳米多层膜。面装分布，厚度大于100nm,具有纳米结构。纳米结构薄膜，纳米结构涂层三维纳米材包含纳米结构单元、三维尺寸均纳米陶瓷，纳米金属，纳米孔材料，气凝料超过纳米尺寸的固体胶，纳米结构阵列由不同类型低维纳米结构单兀或其与常规材料复合形成的固体纳米复合材料纳米材料的特性（1）力学性能许多纳米金属的室温硬度比相应粗晶高2~7倍;纳米材料具有更高的强度,例如,6nm的纳米铁晶体的强度比多晶铁提高12倍,硬度提高了2~3个数量级;韧性更大,如美国Argonnel实验室制成的纳米CsF2陶瓷晶体在室温下可弯曲100%。室温下的纳米TiO2陶瓷晶体表现出很高的韧性,压缩至原长度的1/4仍不破碎。（2）热学性能一般纳米金属材料的热容是传统金属的2倍；直径为10nm的Fe、Au和Al熔点分别由其粗晶熔点的1540°C、1063°C和660°C降到33°C、27°C和18C°2nm的金的颗粒熔点仅为330C,比通常金的熔点低700C以上，而纳米银粉的熔点仅为100C；此外,纳米材料的热膨胀可调,可用于具有不同热膨胀系数的材料的连接。（3） 磁学性能当晶粒尺寸减小到纳米级时,晶粒之间的铁磁相,互作用开始对材料的宏观磁性有重要影响,使得纳米材料具有高磁化率和高矫顽力,低饱和磁矩和低磁耗纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩是普通金属的1/2。（4） 光学性能各种纳米微粒几乎都呈黑色,它们对可见光的反射率将显著降低,一般低于1%。粒度越细,光的吸收越强烈,利用这一特性,纳米金属有可能用于制作红外线检测元件、隐身飞机上的雷达波吸收材料。（5） 电学性能电导率低,纳米固体中的量子隧道效应使电子运输表现出反常现象,例如,纳米硅氢合金中的氢含量大于5%（原子分数）时,电导率下降2个数量级,并出现通道电阻效应。纳米材料的电导率随颗粒尺寸的减小而下降。（6） 高扩散性纳米晶体的自扩散速率为传统晶体的1016至1019倍,是晶界扩散的100倍。高的扩散速率使纳米材料的固态反应可在室温或低温下进行。（7）表面活性随着纳米微粒粒径减小,比表面积增大,表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等,使得纳米微粒具有高的表面活性,适于作催化剂和贮氢材料。例如,纳米晶Li-MgO对甲烷向高级烃转化的催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200C；又如，普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行，低温吸氢需长时间或高压力，而纳米晶Mg2Ni在200C以下，即可吸氢,无须活化处理纳米材料的制备3.4.1物理制备方法1）机械法机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能,通过球磨让物质使材料之间发生界面反应,使大晶粒变为小晶粒,得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。xiao等利用金属羰基粉高能球磨法获得纳米级的Fe-18Cr-9W合金粉末。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉,尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度,使相间传质和微观混合得到极大的加强,从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料,应用超重力技术制备粒径20nm—80nm粒度分布均匀的ZnO纳米颗粒。（2） 气相法气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态,然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。Takaki等在惰性气体保护下,利用气相冷凝法制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体,粒径在30nm—50nm范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发,使组分偏析最小,一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下,材料极大程度地发生塑性变形，而使尺寸细化到纳米量级。有文献报道，①82mm的Ge在6GPa准静压力作用后，再经850°C热处理,纳米结构开始形成,材料由粒径100nm的等轴晶组成，而温度升至900C时，晶粒尺寸迅速增大至400nm。（3） 磁控溅射法与等离子体法溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子,交换能量或动量,使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。在该法中靶材料无相变,化合物的成分不易发生变化。目前,溅射技术已经得到了较大的发展,常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶液化合蒸发,蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高,能制备难熔的金属或化合物,产物纯度高,在惰性气氛中,等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。化学制备方法（1） 溶胶—凝胶法溶胶—凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生成活性单体,活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶。Stephen等利用高分子加成物（由烷基金属和含N聚合物组成）在溶液中与H2S反应,生成的ZnS颗粒粒度分布窄,且被均匀包覆于聚合物基体中,粒径范围可控制在2nm-5nm之间。MarcusJones等以CdO为原料，通过加入Zn(CH3) 2和S[Si(CH3) 3] 2制得了ZnS包裹的CdSe量子点，颗粒平均粒径为3.3nm,量子产率(quantumyield,QY)为13.8%。离子液法离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有独特的物理化学性质,如粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下,离子液仍具有低挥发性,不易造成环境污染,是一类绿色溶剂。因此,离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺为原料,在室温下于离子液介质中合成出了大小均匀的、尺寸为3um—5um的Bi2S3纳米花。他们认为溶液的pH值、反应温度、反应时间等条件对纳米花的形貌和晶相结构有很重要的影响。他们证实,这些纳米花由直径60nm—80nm的纳米线构成,随老化时间的增加,这些纳米线会从母花上坍塌,最终形成单根的纳米线。赵荣祥等采用硝酸铋和硫脲为先驱原料,以离子液为反应介质,合成了单晶Bi2S3纳米棒。溶剂热法溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中,通过对各种溶剂组成相应的反应体系加热,使反应体系形成一个高温高压的环境,从而进行实现纳米材料的可控合成与制备的一种有效方法。Lou等采用单源前驱体Bi[S口2P(0C口8H□口17)2]3作反应物，用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系Bi□2S□3纳米棒，且该方法适于大规模生产。Liu等用Bi(NO3)3・5H2O、NaOH及硫的化合物为原料，甘油和水为溶剂，采用溶剂热法在高压釜中160°C反应24-72h制得了长达数毫米的Bi2S3纳米带。国内发展情况2003年3月，中科院与教育部共同组建的国家纳米科学中心挂牌至今，根据“先组后建，边组边建”的原则，以中科院纳米科技中心、北京大学纳米科学技术中心、清华大学微/纳米中心三个单位为基础，首期投入2.5亿元人民币。与以往不同，中科纳米技术工程中心有限公司纳米科技产业化基地的建设采取了“香港企业出资、中国科学院出人、北京市出地”的新模式。据了解，目前基地的运作机构中科纳米技术工程中心拥有30余位顶级专家，有60多项专利。中科院对其定位就是基础研究与规模化生产的中间链条，纳米科技成果的“孵化器”，而土地则由北京市出。2003年8月26日，我国召开了新世纪以来的第一次全国纳米科技工作会议，这次会议自然成为国内科技界极为关注的重点。正如国家纳米科技发展指导协调委员会主任、科技部徐冠华部长在总结发言中指出：纳米科技随着技术逐步成熟和其商业应用前景的明朗化，竞争会日趋激烈，需要我们抓住机遇、迎接挑战。我国纳米科技整体水平和西方发达国家相比差距很大，而且这种差距有拉大的危险，需要我们去追赶，需要我们去超越。为此，要重视并认真研究我国纳米科技发展战略，强调国家目标，突出重点；我国纳米科技发展，必须加快实现由以往跟踪为主向自主创新为主的战略转变；必须把纳米科技人才队伍建设放在突出位置；必须十分重视纳米科技基地建设，减少低水平重复，构建高水准的公共平台。这次纳米科技工作会议进一步明确了“十五”后期，我国纳米科技要重点加强的工作任务。据悉，科技部已投资5.5亿元，带动社会投资30多亿元开展纳米科技及产业化研究，希望通过5〜10年的努力，使中国纳米科技的整体水平进入国际先进行列，争取在若干方面具有竞争优势。同时，推动一批纳米科技成果实用化或产业化，造就一