1-纳米材料2010-03-091 改改.ppt

第二章 纳米材料 Nanomaterials 纳米材料 纳米科技及纳米化学纳米材料分类及定义纳米材料基本效应及性质纳米材料制备与控制纳米材料表征与应用 一 纳米材料及纳米科技的起源 纳米材料的最早预言 1861年前后 胶体化学诞生 研究对象为1 100纳米的粒子系统 胶体化学 催化剂制备等 1962年日本物理学家久保亮武 K Kubo 在金属超微粒子的理论研究中发现 金属粒子具有与块体物质不同的热性质 被学界称为Kubo效应 随后提出针对金属超微粒子的著名的久保理论 即超微粒子的量子限域理论 1963年 RyoziUyeda 上田良二 发展了气体蒸发法或称为气体冷凝法 通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微粒子 并对单个金属超微粒子的形貌和晶体结构进行了透射电镜研究 20世纪70年代末 美国MIT的W R Cannon等人发明了激光驱动气相合成方法 合成了尺寸为数十纳米的Si SiC Si3N4陶瓷粉末 从此 人类开始了规模制备纳米材料的历史 5 70年代末到80年代初 人们对一些纳米颗粒的结构 形态和特性进行了比较系统的研究 描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善 在用量子尺寸效应解释超微粒子的某些特性时获得成功 6 1984年Glener等人发现了CaF2纳米离子晶体和TiO2纳米陶瓷在室温下的良好韧性 7 1985年 H W Kroto R E Smalley和B Curl采用激光加热石墨蒸发在甲苯中形成碳的团簇 质谱分析意外发现有60个碳原子组成的封闭的足球C60分子 由于其奇特的结构和性质 引发了富勒烯研究热潮 1996年三人同获诺贝尔化学奖 8 1990年7月在美国召开的国际第一届纳米科学技术学术会议 正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支 标志这一门崭新学科的诞生 9 1991年 日本电器公司的饭岛澄男 S Iijima 在研究巴基球分子过程中发现碳纳米管 多壁管 1993年又发现单壁碳纳米管 碳纳米管的质量是钢的六分之一 强度是钢的100倍 纳米化学研究的范畴 纳米材料合成 合成新材料 探索新的合成方法 纳米材料性质 尺寸效应 个体与群体性质 界面问题 结构与功能的关联性 自组织与自组装现象及其应用 LB SAM 超分子体系及纳米结构组装 纳米催化 纳米尺寸的催化剂的设计 制备及其作用原理 单分子性质 单个分子 单个纳米粒子 单根碳纳米管以及由其构成的有限粒子体系的化学性质 光谱性质等 6 针尖化学 利用SPM针尖研究局域化学性质 分子间的相互作用 对化学反应进行限域以实现纳米尺度的机构加工和信息存储等 7 纳米测量技术 发展各种纳米尺度的物理 化学性质实验测量技术 8 纳米材料的应用 探索纳米材料的应用途径 批量 廉价制备技术 稳定性问题等 9 分子电子学器件及纳米器件探索 分子器件例如分子整流器 分子开关等 纳米电子学器件 纳米传感器等 纳米材料按结构可划分为具有原子簇和原子束结构的零维纳米材料 具有纤维结构的一维纳米材料 具有层状结构的二维纳米材料 晶粒尺寸至少在一个方向上属于纳米范围内的三维纳米材料 按材料物性划分有纳米半导体 纳米磁性材料 纳米非线性光学材料 纳米铁电体 纳米超导材料 纳米热电材料等 按化学组分来分有纳米金属 纳米晶体 纳米陶瓷 纳米玻璃 纳米高分子和纳米复合材料等 纳米材料的分类 二 纳米材料的分类及定义 0维 团簇 纳米粒子 纳米晶 0D Cluster nanoparticles nanocrystals1维 纳米管 纳米线 纳米棒 1D Nanotubes nanowire Nanorods 2维 超细粒子薄膜 2D Ultrafineparticlefilm 3维 体相材料 3D Bulkmaterials ClassificationofNanomaterials 团簇 由几个至上千个原子 分子或离子组成相对稳定的聚集体 尺寸常常不超过1nm 团簇是各种物质由原子 分子向大块物质转变的过渡状态 团簇代表凝聚态物质的最初始状态 是介于原子 分子与宏观固体之间的物质结构的新层次 有时被称为物质的第五态 Nan C60 C70 InnPm 团簇Cluster 纳米粒子 有时也称为纳米颗粒 纳米微粒 超微粒子 纳米粉 一般指粒度介于1 100纳米之间的粒状物质 其尺度大于原子簇 小于通常的微粉 早期称作超微粒子 纳米颗粒是肉眼和一般光学显微镜看不到的微小粒子 纳米粒子所含原子数范围在103 107 1 100nm 其比表面比块体材料大得多 加之所含原子数很少 通常具有量子效应 小尺寸效应 表面效应和宏观量子隧道效应 因而展现出许多奇特的性质 纳米粒子Nanoparticles 包括 纳米线 晶须 丝 纳米棒 纳米管指在两维方向上为纳米尺度 长度比其它两微方向上的尺度大得多 甚至为宏观量 微米 毫米级 的纳米材料 根据形状分为管 棒 线 丝等 通常纵横比小的称为纳米棒 纵横比大的称为纳米线 丝 一维纳米材料OneDimensionalNanostructures 二维纳米材料 主要是指厚度位于纳米尺度的薄膜结构材料 早期名称有些混乱 也有人称为纳米固体材料 纳