纳米材料的基本概念与性质纳米材料导论学习教案

1、纳米材料纳米材料(n m ci lio)的基本概念与性的基本概念与性质纳米材料质纳米材料(n m ci lio)导论导论第一页，共45页。基本基本(jbn)内容内容1.1 纳米材料纳米材料(n m ci lio)的基本概念的基本概念1.2 纳米纳米(n m)微粒的基微粒的基本性质本性质1 1.3.3纳米微粒的物理特性纳米微粒的物理特性第1页/共45页第二页，共45页。和量子尺寸效应。和量子尺寸效应。第2页/共45页第三页，共45页。定义：仅包含几个定义：仅包含几个(j )到数百个原子或尺度小于到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为的粒子称为“簇簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。，它

2、是介于单个原子与固态之间的原子集合体。 1.1.1 原子团簇（原子团簇（atomic cluster ）原子团簇的形状原子团簇的形状(xngzhun)可以是多种多样可以是多种多样的，它们尚未形成规整的晶体的，它们尚未形成规整的晶体绝大多数原子团簇的结构不清楚，但巳知有线状、绝大多数原子团簇的结构不清楚，但巳知有线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等第3页/共45页第四页，共45页。化学分支包括化学分支包括(boku)：合成化学合成化学化学动力学化学动力学晶体化学晶体化学结构化学结构化学原子簇化学原子簇化学原子团簇研究是多学科原子团簇研究是多学科(xuk)

3、的交叉的交叉物理学分支：物理学分支：原子原子(yunz)、分子物理分子物理表面物理表面物理晶体生长晶体生长非晶态非晶态其它学科：星际分子、矿岩成因、燃烧烟粒、大气微晶其它学科：星际分子、矿岩成因、燃烧烟粒、大气微晶等等 第4页/共45页第五页，共45页。国家自然科学基金重大项目：国家自然科学基金重大项目：“原子团簇的物理原子团簇的物理(wl)和化学和化学”、“团簇组装纳米结构的量子性质团簇组装纳米结构的量子性质”南京大学固体微结构国家实验室（筹）团簇物理和纳米科学研究组南京大学固体微结构国家实验室（筹）团簇物理和纳米科学研究组杨先生和冯先生访问团簇物理杨先生和冯先生访问团簇物理(wl)研究室研

4、究室第5页/共45页第六页，共45页。v一元原子团簇包括金属团簇(加Nan，Nin等)和非v金 属 团 簇 非 金 属 团 簇 可 分 为 碳 簇 ( 如C60,C70v等)和非碳族(如B，P，S，Si簇等)v二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。v多元原子团簇有Vn(C6H6)m等v原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学v键结合(jih)形成的化合物原子团簇可分为原子团簇可分为(fn wi)一元原子团簇、二元一元原子团簇、二元原子团簇、多元原子团簇和原子簇化合物原子团簇、多元原子团簇和原子簇化合物第6页/共45页第七页，共45页。当前能大量当前能大量(dling)制备并分离的团簇是制

5、备并分离的团簇是C60(富勒烯富勒烯)(富勒烯富勒烯)第7页/共45页第八页，共45页。C60的结构的结构(jigu)：C60(富勒烯富勒烯) 由由60个碳原子排列而成的个碳原子排列而成的32面体，其中面体，其中(qzhng)20个六边形，个六边形，12个五边形，其直径为个五边形，其直径为0.7nm。制备制备(zhbi)C60常用的方法：常用的方法：采用两个石墨碳棒在惰性气体（采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥发物中除了有）中进行直流电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥发物中除了有C60外，还含有外，还含有C70，C2

6、0等其它碳团簇。可以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有等其它碳团簇。可以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。幻数：构成碳团簇的原子数幻数：构成碳团簇的原子数幻数为幻数为20，24，28，32，36，50，60，70的具有高稳定性，其中又以的具有高稳定性，其中又以C60最稳定。最稳定。第8页/共45页第九页，共45页。 仅仅通过调节团簇的大小，物质特性就有极大仅仅通过调节团簇的大小，物质特性就有极大的不同，的不同，10 10 个铁原子的团簇在催化个铁原子的团簇在催化(cu hu)(cu hu)氨合氨合成时要比成时要比1717个铁原子的团簇效能高出个铁原子的团簇效能高出10001000倍。倍。

7、第9页/共45页第十页，共45页。 1.1.2纳米纳米(n m)微粒微粒 定义：微粒尺寸为纳米数量级，它们的尺寸大于原子团簇，小于通常的微粒，一般定义：微粒尺寸为纳米数量级，它们的尺寸大于原子团簇，小于通常的微粒，一般(ybn)尺寸为尺寸为1-l00nm。也有人将它称为超微粒子（。也有人将它称为超微粒子（ultra-fine particle）日本名古屋大学上田良二教授曾经给纳米微粒下了一个定义(dngy)：用电子显微镜(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒。第10页/共45页第十一页，共45页。v用途：用途：v 吸波隐身材料、吸波隐身材料、v 防辐射材料、防辐射材料、v 单晶硅和精密光学器件抛光

8、材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、v 电池电极材料、电池电极材料、v 太阳能电池材料、太阳能电池材料、v 高效催化剂、高效助燃剂、高效催化剂、高效助燃剂、v 高韧性陶瓷材料、高韧性陶瓷材料、v 人体人体(rnt)修复材料和抗癌制剂等。修复材料和抗癌制剂等。 v由于尺寸小，比表面大和量子由于尺寸小，比表面大和量子(lingz)尺寸尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。第11页/共45页第十二页，共45页。1.1.3纳米纳米(n m)粒子薄膜与纳米粒子薄膜与纳米(n m)粒子粒子层系层系定义：含有纳米定义：含有纳米(n m)粒子和原子团簇的薄膜、

9、纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米(n m)尺寸厚度的薄膜、纳米尺寸厚度的薄膜、纳米(n m)级第二相粒子沉积镀层、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米(n m)粒子复合涂层或多层膜粒子复合涂层或多层膜 具有特殊具有特殊(tsh)(tsh)的物理性质和化学性质的物理性质和化学性质 第12页/共45页第十三页，共45页。(Ni-P)-纳米纳米Si3N4复合复合(fh)层层用具有很好悬浮性能的纳米用具有很好悬浮性能的纳米Si3N4固体微粒作为镀液的第二相粒子固体微粒作为镀液的第二相粒子,通过搅拌使其悬浮在镀液中通过搅拌使其悬浮在镀液中,用电刷镀的方法使用电刷镀的方法使Ni-P合金与纳米合金与纳米Si3N4微

10、粒共沉积于基体表面微粒共沉积于基体表面.它具有沉积速度快、镀层硬度高和耐磨性好等优异的性能它具有沉积速度快、镀层硬度高和耐磨性好等优异的性能. 纳米级第二相粒子纳米级第二相粒子(lz)(lz)沉积镀层举例沉积镀层举例第13页/共45页第十四页，共45页。纳米固体是由纳米尺度水平纳米固体是由纳米尺度水平(shupng)(shupng)的晶界、相界或位错等缺陷的核中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。的晶界、相界或位错等缺陷的核中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。 1 11 14 4 纳米纳米(n m)(n m)固体固体纳米固体材料（nanostructured ma

11、terials）的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5纳米颗粒所构成(guchng)的固体每立方厘米将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高10141016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。第14页/共45页第十五页，共45页。含有20超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料；金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度(t d)）功能材料的原材料。例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属的复合体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用于温差达1000C的航天飞

12、机隔热材料、复合纳米固体材料(cilio)亦是一个重要的应用领域。例如：第15页/共45页第十六页，共45页。多孔材料在多相催化、吸附与分离等领域多孔材料在多相催化、吸附与分离等领域(ln y)(ln y)应用广泛应用广泛简介简介(jin ji)(jin ji)：把纳米颗粒组装成带有一定孔道结构的体块多孔纳米固体，则可以得到一种既保留了纳米颗粒的大部分反应活性又具有相当力学强度的固体材料。：把纳米颗粒组装成带有一定孔道结构的体块多孔纳米固体，则可以得到一种既保留了纳米颗粒的大部分反应活性又具有相当力学强度的固体材料。这类材料与通常的多孔材料的主要区别在于：这类材料与通常的多孔材料的主要区别在于

13、：A A：它的孔道壁表面由高活性的纳米颗粒表面构成，其活性更高；：它的孔道壁表面由高活性的纳米颗粒表面构成，其活性更高；B B：多孔纳米固体的孔道壁由纳米颗粒构成，具有更高的强度和更好韧性。：多孔纳米固体的孔道壁由纳米颗粒构成，具有更高的强度和更好韧性。二氧化锆多孔纳米固体二氧化锆多孔纳米固体(gt)(gt)的制备（山东大学）的制备（山东大学） 第16页/共45页第十七页，共45页。1.1.5 1.1.5 纳米纳米(n m)(n m)复合材料复合材料第17页/共45页第十八页，共45页。纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，该研究

14、(ynji)方向主要包括：A：纳米聚合物基复合材料B：纳米碳管功能复合材料C：纳米钨铜复合材料。第18页/共45页第十九页，共45页。1.1.6 1.1.6 碳纳米碳纳米(n m)(n m)管纳米管纳米(n m)(n m)管、纳米管、纳米(n m)(n m)棒、纳米棒、纳米(n m)(n m)丝丝器件微小化对新型功能材料提出了更高的要器件微小化对新型功能材料提出了更高的要求因此，求因此，20世纪世纪80年代以来，零维的材料取得了年代以来，零维的材料取得了很大的进展，但一维纳米材料的制备与研究仍面临很大的进展，但一维纳米材料的制备与研究仍面临着巨大的挑战。着巨大的挑战。自从自从1991年日本年日

15、本NEC公司饭岛等发现纳米碳管以公司饭岛等发现纳米碳管以来，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大来，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大(j d)关注关注第19页/共45页第二十页，共45页。v因为准一维纳米因为准一维纳米(n m)材料在介观领域和纳米材料在介观领域和纳米(n m)器件研制方面有着重要的应用前景：器件研制方面有着重要的应用前景：v它可用作扫描隧道显微镜它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖的针尖v纳米纳米(n m)器件器件v超大集成电路超大集成电路(ULSIC)中的连线中的连线v光导纤维光导纤维v微电子学方面的微型钻头微电子学方面的微型钻头v复合材料的增强剂等复合材料的增强剂等

16、v 目前关于一维纳米目前关于一维纳米(n m)材料材料(纳米纳米(n m)管、纳米管、纳米(n m)丝、纳米丝、纳米(n m)棒等棒等)的制备研的制备研究已有大量报道。究已有大量报道。第20页/共45页第二十一页，共45页。碳纳米管，是碳纳米管，是1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料(cilio)家族中的新成员，为黑色粉末状。家族中的新成员，为黑色粉末状。是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般

17、为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。 第21页/共45页第二十二页，共45页。碳纳米管本身有非常完美碳纳米管本身有非常完美(wnmi)的结构，意味着的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。电性能、导热性能和电性能。第22页/共45页第二十三页，共45页。熔点熔点(rngdin)是已知材料中最高的。是已知材料中最高的。 像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以(ky)拉

18、伸。拉伸。 强度是钢的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一倍而重量只有钢的七分之一。导电率是铜的导电率是铜的1万倍，万倍，第23页/共45页第二十四页，共45页。氮化硅纳米氮化硅纳米(n m)丝丝纳米纳米(n m)丝丝以碳纳米以碳纳米(n m)管为模板合成氮化硅纳米管为模板合成氮化硅纳米(n m)丝丝用微米级用微米级SiO2、Si和混合粉末为原料，用碳纳米管覆盖其上作为模板，以氮气为反应气合成了一维氮化硅纳米线体。测量了不同温度下合成纳米氮化硅的型貌和结构，和混合粉末为原料，用碳纳米管覆盖其上作为模板，以氮气为反应气合成了一维氮化硅纳米线体。测量了不同温度下合成纳米氮化硅的型貌和结构，第2

19、4页/共45页第二十五页，共45页。第25页/共45页第二十六页，共45页。 久保久保(Kubo)(Kubo)理论是关于理论是关于(guny)(guny)金属粒子电子性质的理论它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他研究者进一步发展了这个理论金属粒子电子性质的理论它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他研究者进一步发展了这个理论19861986年年HalperinHalperin对这一理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子的量子尺寸效应进行了深人的分析。对这一理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子的量子尺寸效应进行了深人的分析。 久保理论是针对金属超微颗粒费米面附近电子能级

20、状态分布久保理论是针对金属超微颗粒费米面附近电子能级状态分布(fnb)(fnb)而提出来的，它与通常处理大块材料费米面附近电子态能级分布而提出来的，它与通常处理大块材料费米面附近电子态能级分布(fnb)(fnb)的传统理论不同，有新的特点，这是因为当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效应原大块金属的准连续能级产生离散现象的传统理论不同，有新的特点，这是因为当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效应原大块金属的准连续能级产生离散现象1.2.11.2.1电子能级的不连续性电子能级的不连续性 - kubo - kubo理论理论(lln)(lln)第26页/共45页第二十七页，共45页。第27页/共45

21、页第二十八页，共45页。第28页/共45页第二十九页，共45页。第29页/共45页第三十页，共45页。n纳 米 微 粒 尺 寸 小 ， 表 面纳 米 微 粒 尺 寸 小 ， 表 面(biomin)能高，位于表面能高，位于表面(biomin)的原子占相当大的的原子占相当大的比例比例n左边表格列出纳米微粒尺寸左边表格列出纳米微粒尺寸与表面与表面(biomin)原子数的关原子数的关系：系：第30页/共45页第三十一页，共45页。随着粒径减小，表面原子数迅速随着粒径减小，表面原子数迅速(xn s)增加增加这是由于粒径小，表面积急剧变大所致这是由于粒径小，表面积急剧变大所致例如，粒径为例如，粒径为10n

22、m时，比表面积为时，比表面积为90m2g， 粒径为粒径为5nm时，时， 比表面积为比表面积为180m2g， 粒径下降到粒径下降到2nm，比表面积猛增到，比表面积猛增到450m2g 这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多， 同时，表面能迅速同时，表面能迅速(xn s)增加，增加， 第31页/共45页第三十二页，共45页。表面原子特点：表面原子特点：原子配位不满，多悬空键原子配位不满，多悬空键高表面能，高表面活性，使这些表面原子具有高的活性，高表面能，高表面活性，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易极不稳定，很容易(rngy)与其他原子结合与

23、其他原子结合 例如：例如：A A：金属的纳米粒子在空气：金属的纳米粒子在空气(kngq)(kngq)中会燃烧中会燃烧 B B：无机的纳米粒子暴露在空气：无机的纳米粒子暴露在空气(kngq)(kngq)中会中会吸附气体，并与气体进行反应吸附气体，并与气体进行反应 第32页/共45页第三十三页，共45页。如图所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图，如图所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图，假定颗粒为圆形，假定颗粒为圆形，位于位于(wiy)(wiy)表面的原子表面的原子 内部原子，内部原子，颗粒尺寸为颗粒尺寸为3nm3nm，原子间距为约原子间距为约0.3nm0.3nm，很明显，实心圆的原子近邻配位

24、不完全，很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，举例说明纳米举例说明纳米(n m)(n m)粒子表面活性高的原因粒子表面活性高的原因 近邻配位的近邻配位的“A“原子，像原子，像“A”这样的表面原子这样的表面原子极不稳定，很快跑到极不稳定，很快跑到“B”位置位置(wi zhi)上，上，这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，使其稳定化，这就是活性高的原因。使其稳定化，这就是活性高的原因。第33页/共45页第三十四页，共45页。隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道