纳米材料论文.doc

纳米材料的性质、制备与表征 班级：材料125 姓名：陈志权 学号：121895 作为最有前途的材料，纳米材料无疑将会在生活和生产中得到广泛的应用，为人们提供各种便利，服务于人民。纳米技术开辟了人类认识世界的新层次，使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，标志着人类的科学技术水平进入了一个新时代，即纳米科技时代。在纳米量级范围内（0.1-100nm）对分子、原子进行操纵和加工的技术，是用单个原子、分子制造物质的技术，是研究一小堆原子(团簇)甚至于单个原子或分子的一门学科；是以纳米科学为基础，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。纳米材料的分类按照维度不同可分为：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；一维：指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维：指在三位空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等;三维：指三维空间中含有上述纳米材料的块体，如纳米陶瓷等。一、纳米材料的性质 1、纳米材料的热学性质：熔点显著降低。与常规粉末体材料相比，纳米粒子的表面能高，表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此，其熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米粒子熔点急剧下降。不同方法制备的纳米晶体材料的过剩比热不同。惰性气体冷凝法和高能球磨法制备的纳米晶体材料的过剩热容很大，非晶晶化和电解沉积法制备的纳米晶体材料的却很小。原因是不同制备方法引入不同缺陷密度。惰性气体冷凝和高能球磨方法制备的纳米材料，存在大量的微孔、杂质和结构缺陷，使这种极大的差异不能代表纳米材料的本征热熔差别。非晶晶化和电解沉积方法制备的纳米晶体，内部结构缺陷较少，且很少有微孔和杂质，其热容与粗晶相比增加不大。纳米晶体材料的特征温度和热膨胀系数的变化。各种方法制备的纳米晶体的特征温度都要小于其粗晶体的值。纳米晶体材料的热膨胀系数变化不一致，与纳米样品的制备方法和结构尤其是微孔有密切关系。纳米晶体的热稳定性。当晶粒尺寸细化到纳米量级时，晶粒长大的驱动力很高，甚至在室温下即可长大。实验中已发现纳米晶Cu、Ag、Pd在室温或略高于室温时的异常长大现象。大量实验观察表明，通过各种方法制备的纳米晶体材料，无论是纯金属、合金还是化合物在一定程度上都具有很高的晶粒尺寸稳定性。2、纳米材料的电学性质：纳米材料的电导特性：纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度的减小而减小 电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小，甚至出现负的电阻温度系数 金属纳米丝的电导被量子化，并随着纳米丝直径的减小出现电导台阶、非线性的 I-V 曲线及电导振荡等粗晶材料所不具有的电导特性。纳米材料的介电特性：纳米介电材料具有尺寸效应和界面效应，这将较强烈地影响其介电性能。这些影响主要表现在：空间电荷引起的界面极化。由于纳米材料具有大体积分数的界面，在外电场的作用下在界面两侧可产生较强的空间电荷引起界面极化或空间电荷极化 介电常数或介电损耗具有较强的尺寸效应。随着尺寸的减小，铁电体单畴将发生由尺寸驱动的铁电-顺点相变，使自发极化减弱，居里点降低，这都将影响取向极化及介电性能 纳米介电材料的交流电导常远大于常规电介质的电导。例如纳米-Fe2O3、-Fe2O3固体的电导就比常规材料的电导大34个数量级，纳米氮化硅随尺寸的减小也具有明显的交流电导。纳米介电材料电导的升高将导致介电损耗的增大。3、纳米材料的光学性质：宽频带强吸收特性：红外吸收谱宽化的主要原因：尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张力有差异，引起的晶格畸变程度也不同，这就导致纳米材料键长有一个分布，造成带隙的分布 界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多。界面原子除与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽。与常规大块体材料不同，没有一个单一的、择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光作用下对红外光的吸收频率也就存在一个较宽的分布。吸收光谱的移动：蓝移：颗粒尺寸下降导致能隙变宽，从而导致光吸收带意向短波方向；大的表面张力使晶格畸变，晶格常数减小，键长缩短，键的本征振动频率增大，光吸收带移向高波数 红移：有时候，粒径减小至纳米级时可以观察到光吸收带相对粗晶材料向长波方向移动。纳米颗粒发光特性：由于颗粒很小，出现量子限域效应，界面结构的无序性使激子特别是表面激子很容易形成，因此容易产生激子发光带 界面体积大，存在大量缺陷，从而使能隙中产生许多附加能级。4、纳米材料的磁学性质：超顺磁性：超顺磁性是当微粒体积足够小时，热运动能对微粒自发磁化方向的影响引起的磁性。超顺磁性可定义为：当一任意场发生变化后，磁性材料的磁化强度经过时间后达到平衡态的现象。高矫顽力：纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时，通常呈现高的矫顽力。饱和磁化强度：饱和磁化强度指磁性材料在外加磁场中被磁化时所能够达到的最大磁化强度。比饱和磁化强度随着晶粒尺寸的减小而急剧下降，晶粒越小，比表面积越大，减小得越多。居里温度：也叫磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。也可以说是发生二级相变的转变温度。纳米材料通常具有较低的居里温度。随纳米晶体平均晶粒尺寸的减小，居里温度呈线性下降趋势。磁化率: 表征磁介质属性的物理量。等于磁化强度M与磁场强度H之比。纳米粒子的磁性与其所含电子数的奇偶性密切相关。5、纳米材料的力学性质：纳米晶体材料的弹性模量与普通晶粒尺寸的材料相同。直到晶粒尺寸非常小(例如5nm)，这时材料几乎没有弹性。纳米晶体材料的硬度和屈服强度随晶粒尺寸的降低而升高直到晶粒尺寸达到最小的晶粒尺寸范围(例如20nm)。这时铜和钯,遵循相反的(斜率相反)Hall -Petch曲线方程。因而，对于铜和钯有一个强度最大时的晶粒尺寸。在温度明显低于0.5Tm(熔点)时，纳米晶体脆性材料或金属间化合物的高韧性还没得到进一步证实。对于塑性金属(普通晶粒)，当晶粒尺寸降低到小于25nm范围内时,韧性明显降低。在一些纳米晶体材料中已经发现，在相对于普通晶粒材料更低温度和更高应变速率的情况下产生超塑性。二、纳米材料的制备纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法：1、物理方法 真空冷凝法 ：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。 物理粉碎法 ：通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 机械球磨法 ：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。2、化学方法 气相沉积法 ：利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。 沉淀法：把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。 水热合成法 ：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。 溶胶凝胶法 ：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和族化合物的制备。 微乳液法 ：两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，族半导体纳米粒子多用此法制备。三、纳米材料的表征1、X射线衍射分析X-RD分析的基本步骤：样品准备(块体、粉末)；XRD分析获得样品XRD图；检索PDF(或JCPDS)卡；核对PDF卡与物相判定；对XRD结果进行分析(样品特点)。2、扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）主要用于观察材料的表面特点、外观形态、聚集状态、颗粒粒径等（统计）特征。测试中，电子从样品表面掠射，得到分布于样品中的纳米粒子的投影分布。3、透射电镜透射电子显微镜（TEM）主要用于观察材料的结构特点、外观形态、聚集状态（团聚）、颗粒粒径等特征。4、原子力显微镜原子力显微镜是利用微小探针与待测物之间交互作用，来呈现待测物表面的物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展处两种操作模式：利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜，探针与试片的距离约数个；利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜，探针与试片的距离约数十个到数百个。5、扫描隧道显微镜STM的用途：扫描隧道显微镜（STM）主要用于观察材料的表面特点、外观形态、聚集状态、颗粒粒径等（统计）特征,进行原子操作。STM的特点：扫描隧道显微镜(STM)的分辨非常高，大大优于一般电子显微镜，其横向(表面)及纵向(深度)分辨率可以达到0.1 nm-0.01 nm，而一般的电子显微镜仅能达到几十纳米的分辨率，一般原子的大小为0.1nm，所以用扫描隧道显微镜可以直接“看到”原子的大小，而其他显微镜无法做到.。扫描隧道显微镜对工作的环境和使用条件的要求不高，它既可以在真空中，也可以在大气中工作;工作环境可以是常温，也可以是低温，甚至可以把样品浸泡在各种液体介质，如：水、电解液或者液氮当中，这就大大拓宽了扫描隧道显微镜的使用范围，许多只能在溶液中保持活性的生物样品，只有采用扫描隧道显微镜才能够做出最接近自然状态的观察.。扫描隧道显微镜的针尖还可以用来移动和操纵单个的原子和分子，这是其他任何类型的显微镜都做不到的。所以扫描隧道显微镜也是纳米科学技术研究的重要工具。经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学