纳米材料基础-第一章.ppt

纳米材料基础,第一章纳米材料的结构,第一节纳米结构单元,构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳米结构的基本单元有下述几种：零维：团簇、人造原子、纳米微粒一维：纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维二维：纳米带、超薄膜、多层膜体系至少有一维尺寸在纳米数量级因为纳米单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。,量子阱：是指载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上可以自由运动，而在另外一个方向（Z）则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟或更小。有时也称为二维超晶格。,Electronsareconfinedinanarrowregionboundedbytwowalls.Thisisjustliketheproblemofparticleinapotentialbox(well)inquantummechanics.,Electronsconfinedinthisregion,AlAsorAlxGa1-xAs,AlAsorAlxGa1-xAs,量子点：是指载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的。也叫零维量子点。,量子线：是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另外两个方向上则受到约束。也叫一维量子线。,纳米团簇,145个原子组成的1.9nm的半导体纳米颗粒,第二节纳米微粒的结构与形貌,一、纳米微粒的形貌,二、纳米微晶的结构,三、纳米微晶结构的形成,一、纳米微粒的形貌,纳米微粒一般为球形或类球形。纳米晶体内部原子排列整齐，表面存在原子台阶。纳米微粒还有其他形状的，主要与不同合成方法和其晶体结构有关。纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同，但有时会出现很大差别。,Bi球形粒子,FePt纳米粒子表面存在原子台阶,V2O5纳米晶体内部原子排列整齐,Ni链蒸发,链状的，高温下，由许多粒子边界融合连接而成。,紫外光诱导银纳米粒子的变形。随着照射时间的延长，纳米球向纳米棱柱转变。,ZnO纳米片碱式碳酸锌热解制备,溶液法制备ZnO纳米棒纤维锌矿生长方向001,纳米微粒的晶体结构一般和大颗粒相同，但有时会有很大的差别。,Co：密排六方结构,Co在Cu基体：面心六方结构,二、纳米微晶的结构,纳米微晶的结构特征是晶界原子的比例很大，有时与晶内的原子数相等。这表明纳米微晶内界面很多。纳米微晶是由两部分组成的。一是晶体部分；这部分是大量的、长程有序的、相互间晶体位向各异的微晶体。二是晶间区域网络（即晶界）；各个晶间区域的结构不同，它们的平均原子密度，按其原子间的化学键合力的类型，要比晶体的密度低10%30%。原子间的距离也不等，从平均角度来看，晶界结构既不是长程有序，也不是短程有序。晶界上原子的排列结构相当复杂，到目前为止还没能获得准确的结论。不能用传统的固体物理、晶体学理论来处理纳米微晶晶界上的原子，这些原子的量子力学状态与原子和电子结构对人们来说还处于“神秘”的阶段。,常用的材料分类,金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料半导体材料晶体准晶体非晶体,晶体,准晶,非晶,原子排布长程无序和短程有序,晶体结构的最基本特点就是原子排列的长程有序性，也称原子具有平移对称性。由移动矢量Rlmn=la+mb+nc所表示的平移对称群。,NaCl,二元合金,NiO，CoO，MgO等,PerovskiteStructureTiCaO3,晶体的七大晶系14种布拉菲点阵,晶体的七大晶系和14种布拉菲点阵,晶体的特征,由原子或分子长程有序排列的构成的三维周期性的固体称为晶体。绝大多数固体材料都是结晶体，包括各种金属及其合金、自然界的矿物等各种无机化合物等。,整齐美，对称美，周期性美，构成了自然美的一个重要特征。,非晶体的两个特征,非晶态材料的最基本的两个特点是：(1)原子排布的长程无序、短程有序(2)热力学上的亚稳态。,纳米晶粒尺寸进一步减小：纳米晶非晶非晶均匀成核(几乎未长大)：非晶纳米晶,液体原子结构是否与气体一样完全无序的？统计物理、统计热力学处理气体问题?晶体：士兵队列非晶：电影院散场的观众整体无序，但存在有规律的小集团，家庭型、情侣型、亲子型、朋友型等短程有序(1.5nm,几个原子尺度),非晶态原子排布的短程有序,晶体和非晶体原子排列示意图,短程有序:如果一个原子拿走，从剩下的周围原子可推断出这个原子的位置,非晶态与晶态的联系,为什么非晶态物质仍然保留了晶态物质的基本物理特性，如导电性、导热性和光学特性等?,非晶与微晶、纳米晶非晶与晶体缺陷非晶与晶体的相互转化,多晶体中晶界原子排列示意图,从晶粒大小的角度分类：单晶多晶(光镜)微晶(纳米晶、电镜)非晶晶粒数目增多最多或0晶粒尺寸减小最小0或缺陷密度增多最多或0（哲学意义：=0）,非晶材料的种类,大多数液体、气体非晶态材料（液晶材料除外）非晶态固体材料：非晶态金属合金、非晶态半导体、非晶态超导体、非晶态高分子聚合物以及传统的氧化物玻璃等。玻璃(glass)这个术语习惯上被定义用于由淬火熔体法制备的非晶态固体，不包括其它方法制备的非晶态固体。金属玻璃，主要从其形成过程是采取与玻璃类似的液相急冷法而得名，所以真空蒸发得到的非晶态金属原则上不应被称为金属玻璃。,非晶的形成,从液体到晶体从液体到非晶体从晶体到非晶体从气体到非晶体？,非晶态热力学上的亚稳性,亚稳态是指该状态下，系统的自由能比平衡状态高，有向平衡态转变的趋势，但转变的速度，取决于动力学。石墨与金刚石Fe80B20非晶合金：在175下使用寿命可达550年，而在200下使用寿命仅为25年。,非晶态材料的研究历史,自然界：“火山玻璃”，包括黑曜岩和浮石古埃及：墓葬中玻璃装饰品西汉前:铜凹面镜东汉时:玻璃透镜王充论衡：方士熔炼五种石块铸成“阳燧”(聚光镜)，可在日光下取火-门窗玻璃:2000多年橡胶等非晶态高分子1950s非晶合金和非晶半导体材料:50年,DevelopmentsinMaterialsinthe19thand20thCenturies十九世纪和二十世纪材料的发展,橡胶(Rubber)BroughttoEuropefromHaitibyColumbus(1496)Spanishdiscoverlatexgatheredfromspecifictropicaltrees(1615)milkywhitefluid(latexislatinforfluid)couldbebrushedonclothesandearthenwareforwaterproofingFrenchdiscoveredrubberasthecondensedsapfromtherubbertree(1735)Productsbecamecommerciallyavailableinearly1800sairmattresseswaterproofmailbagspencilerasers(rubbergetsitsnamefromitsabilitytoruboutpencilmarks),CharlesGoodyear(Boston,1839)accidentallydroppedapieceofrubbercoatedwithsulfurandleadintoared-hotstovetransformation(curing)occurredthatincorporatedsulfurintotherubber:vulcanization(橡胶的硫化过程)vulcanizedrubberdoesnotmeltremainspliablewhencoldGoodyearawardedpatentin1842JohnB.Dunlop(Britain,1888)inventedthepneumaticrubbertireusingGoodyearsvulcanizationprocesseventuallymadethebicyclepopularbigimpactontheautomobileindustrydecadeslaterSyntheticrubberdevelopedinGermanyaround1910,非晶材料的研究历史,1947年A.Brenner等:Ni-P和Co-P非晶薄膜，防护涂层1954年W.BucRel等:金属Ga和Bi的非晶薄膜，超导特性。1955年B.T.Kolomiets等：含砷、碲的非晶半导体1958年P.W.Anderson发表了“扩散在一定的无规点阵中消失”1960年P.Duwez:Au70Si30非晶合金，Nature“愚蠢的Duwez合金”A.N.Gubanov预言非晶材料可具铁磁性，并用RDF计算出Tc1965年J.H.Dessauer:非晶态硒，新型复印机同年，第一届非晶态和液态半导体国际会议召开。1968年S.R.Ovshinsky发现硫属玻璃半导体的阈值开关效应1967-1969年，Mott:Mott-CFO模型1969年Chitick:等离子体辉光放电得到非晶硅薄膜,非晶材料的研究历史,1970年在南斯拉夫召开了第一届非晶态金属国际会议。1970年Maddin等人发明了轧辊液淬技术1971-1973年:AlliedSignal公司“Metglas”商品1974年单辊急冷法问世，并制出了40-50mm的非晶带材1972年美国韦恩州立大学召开第一届非晶态磁性国际会议。1973年IBM的P.Chaudhari等:Gd-Co非晶薄膜观察到磁泡1975年英国Spear辉光放电分解法，制得了非晶硅膜1976年美国RCA公司Carlson用非晶硅制成了太阳能电池,非晶材料的研究历史,1977年英国Mott,美国Anderson和Vanvleck:Nobel物理学奖1980年美国联合化学与西屋电气公司合作制造15kVA变压器1980年，Masumoto:内圆水纺法制备非晶丝，日本Unitika公司商业生产Fe基和Co基非晶丝1992和1997年日本Mohri教授等:钴基非晶丝材中发现了巨磁阻抗（GMI）和巨应力阻抗（GSI）效应1988年日本东北大学Inoue：数十毫米级大块非晶1993年美国加州理工大学的Johnson：大块非晶合金,我国非晶材料的研究情况,1976年国家科委将非晶、纳米晶合金研究开发和产业化列入重大科技攻关项目。“七五”期间建成百吨级非晶带材中试生产线，带宽100mm“八五”期间突破了非晶带材在线自动卷取技术“九五”期间，建成了千吨级铁基非晶带生产线