材料化学 课件 11-4 一维纳米材料

第二部分一维纳米材料一维纳米材料横截面：结构：长度：几百纳米至几毫米定义：在两个维度上为纳米尺度的材料纳米线纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100nm以下（纵向没有限制）的一维结构。典型的纳米线的纵横比在1000以上种类：金属纳米线（如：Ni，Pt，Au等），半导体纳米线（如：InP，Si，GaN等）和绝缘体纳米线（如：SiO2，TiO2等）这类材料具有奇特的物理化学性质，例如：金属向绝缘体过渡、超强的机械强度、高的发光效率、较低的激光阈值及增强的热电系数等。纳米线材料在新型的纳米器件、各种传感器、微工具、微电极、器件集成连接线以及下一代的

显示器件等具有极其重要的地位。水热法合成的Sb2Se3纳米线ACSAppl.Mater.Interfaces2016,8,35219−352261μm纳米线在蓝宝石衬底上的定向生长氧化锌纳米线，首次成功制备纳米激光器Science

292;1897(2001)纳米线单根同轴Si纳米线太阳能电池Nature449;885-889(2007)纳米线单根纳米线电化学储能器件分级MnMoO4/CoMoO4异质结构纳米线Nat

Commun

2,

381(2011)NanoLett.2010,10,4273–4278;热性能纳米线特性退火温度低有利于无缺陷纳米线的制备(熔融－重结晶)有利于在较低温度下进行纳米线之间的焊接、切割、连接，以制备功能器件及电路两根Ge纳米线（外包覆碳层）熔融、流动及焊接过程两头先熔，再向中间延伸，直径越小，熔点越低力学性能纳米线特性单晶纳米棒，结晶好，无缺陷，力学性能强

例：SiC纳米棒的杨氏模量610~660GPa,理论~600GPa可作为高强复合材料的填料在纳米线的横截面尺寸和长度下降到一定尺寸时，环境温度和残余应力变化对纳米线的稳定性影响很大，易发生断裂纳米线特性电性能金属纳米线，尺寸下降后变为半导体例：Bi纳米线，52

nm时产生金属半导体转变Si纳米线，~15

nm时变为绝缘体应用：(1)纳米线组装成阵列，具有储存密度大、材料选择范围宽等优点(2)金属纳米线填充于聚合物时，与纳米粒子相比，用量可大大降低，从而减少金属的消耗，减轻电子装置重量用作纳米电极，用于电化学分析和检测(3)CdSe纳米棒＋聚噻吩制成杂化材料，用于太阳能电池，性能优于CdSe量子点（因为CdSe纳米棒在较低能量下就可以传输电子）纳米线特性电性能ZnO纳米线的压电效应美国佐治亚理工学院、中国科学院外籍院士王中林教授发现了氧化锌纳米线的压电效应，制造了纳米电机；并提出了纳米压电电子学概念压缩面：负电荷，拉伸面：正电荷纳米线在外力F作用下(b)应变、(c)电场和(d)电势的分布光学性能纳米线特性发射光谱的各向异性：纳米线发出的光沿着轴向偏振，平行于轴向的发射光谱强度大，垂直于轴向的发射光谱强度弱，可制成极化敏感光子检测器，用于光子集成电路、光学开关光致发光的渗逾现象：ZnO纳米线阵列激发发射紫外光光学性能纳米线特性光电导性：ZnO纳米线在385nm紫外线照射下，电导率从>3.5MΩ.cm-1，下降4~6个数量级，可用于光学开关、紫外光探测器。光学性能纳米线特性不同波长光照下产生的光电流ΔI：光暗电流差

；P

：单根纳米线的光照度；S

：单根纳米带光照面积；λ

：光照波长；1：

SnO2纳米线比表面积大氧吸附：O

2

(g)

+

e

−

→

O

2

−

(ad)解吸附：

h

+

+

O

2

−(ad)

→

O

2

(g)延长了载流子寿命SnO2纳米线--紫外光探测器2：

SnO2纳米线单晶结构缺陷少，载流子迁移率高化学敏感特性纳米线特性利用表面吸附分子对纳米线电导率的影响，用于医疗、环境监测、安全检查等领域例：①Cu纳米线—有机分子②半导体纳米线—化学生物传感③单晶SnO2纳米线—室温NO2光化学传感器，而SnO2颗粒或薄膜需在300~500℃下操作纳米管种类：碳纳米管、硅纳米管、Pd纳米管、BN纳米管形状：细长形状并具有空心结构碳纳米管是纳米管的典型代表。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管，多于一层的则称为多壁碳纳米管碳纳米管单壁碳纳米管多壁碳纳米管力学性能：强度接近于C-C键的强度，同时具有较好的柔性以及可弯曲性电学特性：电子在碳纳米管中通常只能在同层石墨片中沿者碳纳米管的轴向运动，沿径向的运动将受到很大限制。不同类型的碳纳米管，导电性能也不相同碳纳米管的特性碳纳米管的特性碳纳米管对光吸收具有强烈的方向选择性，偏振方向平行管轴方向时吸收最强，偏振方向垂直管轴方向时吸收最弱。碳纳米管在红外激光激发下可发射出强烈的可见光，具有卓越的发光特性碳纳米管灯丝具有发光效率高、电阻恒定和结构稳定等优点热学性能：碳纳米管的导热系数是自然界已知材料中最高，是电子设备中的高效的散热材料光学性能：碳纳米管的应用碳纳米管芯片碳纳米管纤维导电剂同轴纳米电缆同轴纳米电缆是一种芯部为半导体或导体的纳米丝，外面包覆异质纳米壳体(导体或非导体），外部壳体和芯部丝共轴的准一维纳米材料，相对于组成电缆的单一材料，它会显示出一些新的性质，在众多高精尖端技术领域具有十分诱人的应用前景。同轴纳米电缆的应用超高密度集成线路中元件连接线微型工具和微型机器人部件纳米尺寸的微钻头：要求高强、超硬和超热导系数，如TaC芯线同轴纳米电缆探针针尖2 5Ta

O

＋蜂蜜Ar气氛炭热还原SiO2蒸发凝聚TaC纳米丝SiO2/TaC同轴纳米电缆同轴纳米电缆的应用电极材料压阻式传感器太阳能电池材料纳米带纳米带具有长方形截面，厚度在纳米量级，宽度可达几百纳米，非常薄的长条形纳米结构，既不同于纳米管的中空结构，又不同于纳米线的实心圆柱状结构，是具有