纳米材料的基本效应

1,田俐湖南科技大学化学化工学院2012-08-21,纳米材料,nanomaterials,2,主讲教师,姓名：田俐研究方向：功能材料化学，纳米光电材料Tel-mail：tianli_clQQ：849050031,3,学习要求,课堂要求：按时到课，认真听课，要求互动(20%)课后：及时复习，适当预习，按时完成作业作业要求：工整简洁，按时上交（10%）总评成绩=平时成绩（30%）+考试成绩（70%）,4,课程介绍,必选课学时：32课程性质:以纳米材料的制备及结构性能表征为重点，比较全面和系统地介绍了纳米材料的基本效应、结构以及在相关领域的应用等内容。,5,课程任务、目的及要求,深入了解和掌握纳米材料的结构、性能、制备、检测方法和工艺的基础理论与知识了解纳米材料领域内最新进展和成果具备具体分析、设计、研究和应用纳米材料的基础知识、基本方法和能力。,6,掌握纳米材料相应的基本知识、基本技能及必要的理论基础。了解纳米材料的性能、最新研究进展、应用、发展规划与产业化前景。,本课程的教学要求,7,多媒体教学科研经验与教学互动模式教学理论教学与实践操作相结合,本课程的教学方法,8,教材与教学参考书,1.纳米材料霍洪媛等中国水利水电出版社20032.纳米材料与纳米技术徐志军化学工业出版社20113.纳米材料导论唐元洪湖南大学出版社20114.纳米材料技术周瑞发国防工业出版社20035.纳米材料学汪信化学工业出版社20106.纳米材料与纳米结构张立德科学出版社20017.纳米材料制备与应用技术李群化学工业出版社2008,9,第1章纳米材料的基本效应,目录,第2章纳米材料的结构,第4章纳米材料的表征方法,第3章纳米粒子的制备方法,第5章几种典型纳米材料的制备与表征,第6章纳米材料的应用,10,1.1纳米材料与纳米结构1.2纳米材料的分类1.3纳米材料的基本效应1.3.1表面效应1.3.2小尺寸效应1.3.3量子尺寸效应1.3.4量子隧道效应1.3.5介电限域效应,第1章纳米材料的基本效应,11,1.1纳米材料与纳米结构,纳米是一种长度单位，1nm=10-9m,nanometer。纳米材料：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本结构单元构成的材料。,蜜蜂腹部的纳米磁性粒子,12,纳米材料由两种结构组元构成。（1）晶体组元（体相）：纳米晶粒中的原子组成。（2）界面组元（晶界相）：纳米晶粒的表面原子形成的晶粒间的界面原子组成。纳米结构：其尺寸介于原子、分子并小于100nm的一种显微组织结构（原子团簇、纳米微粒、纳米孔洞、纳米线、纳米薄膜）。纳米材料：具有纳米结构的材料。（1100nm）,13,过渡区-纳米世界,以原子、分子为主体-微观世界,人类活动的-宏观世界,-介观世界,纳米材料是介于微观与宏观之间。,14,按维度划分：零维：指空间三维尺度均在纳米尺度范围，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范围，如纳米丝、棒、管等。二维：指在三维空间中有一维在纳米尺度范围，如纳米薄膜、纳米片等。三维：指块体材料中含有纳米颗粒或纳米晶体。,1.2纳米材料的分类,15,16,16,在空间有两维处于纳米尺度的材料。如纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米带等。,(1)零维纳米材料,在空间三维尺度均在纳米尺寸以内的材料。如纳米尺寸颗粒、原子团簇、人造原子等。,(2)一维纳米材料,17,(3)二维纳米材料,在三位空间有一维纳米尺寸的材料，如超薄膜、多层膜等。,(4)三维纳米材料（纳米固体材料）由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所产生的紧密型固体材料。巨大的颗粒间界面使其具有高韧性，纳米陶瓷。,18,18,MorphologiesofZnOnanomarerials,19,19,20,20,21,1.3纳米材料的基本效应,1.表面效应2.小尺寸效应3.量子尺寸效应4.宏观量子隧道效应5.介电限域效应,22,1.表面效应随着粒度的减小，颗粒的比表面积增大，其表面能也随之提高；颗粒表面原子数与总原子数的比例随颗粒的变小而增大。,23,当超微颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理尺寸相当或更小时，就会导致声、光、电、磁、热、催化等物理、化学性能的变化。,2.小尺寸效应,24,特殊的热学性能,25,颗粒尺寸对硬度的影响,12nm,1.3m,26,颗粒尺寸对晶格常数的影响,=a/a=(a1-a)/a,27,奇特的磁学性能,超顺磁性：纳米颗粒尺寸小于一临界值时，进入超顺磁状态。如强铁磁性-Fe，Fe3O4和-Fe2O3块体的颗粒直径小于5nm,16nm和20nm时变成了超顺磁性体。矫顽力：强磁性纳米颗粒（Fe、Co合金、铁氧体等），随着颗粒尺寸降低，饱和磁化强度下降，但矫顽力却显著增加。,28,N-纳米颗粒内导电电子总数，V-纳米颗粒体积,3.量子尺寸效应,当颗粒尺寸降低到临界值时，金属纳米颗粒在费米能级(EF)附近的电子态由准连续变为离散的现象和半导体纳米颗粒禁带变宽的现象。久保理论指出相邻电子能级间距和金属颗粒直径d之间的关系为：,29,Idealizeddensityofstatesforonebandofasemiconductorstructure,半导体的能态密度,30,RoomtemperatureopticalabsorptionspectraofCdSenanocrystallitesdispersedinhexane,正已烷中CdSe的室温光学吸收谱,31,Wavelengthofabsorptionthresholdasafunctionofparticlesize,吸收阈值,32,Rayleighlight-scatteringofparticlesdepositedonamicroscopeglassslide.,沉积在玻璃片上的纳米颗粒的瑞利散射,33,电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。,4.宏观量子隧道效应,34,在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在025微米。,35,5.介电限域效应,纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强。（局域场强的增强）主要来源于微粒表面和内部局域场强的增强。当介质的折射率对比微粒的折射率相差很大时，就产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场