第一章 纳米材料的基本概念与性质.ppt

第一章纳米材料的基本概念与性质基本内容1.1纳米材料的基本概念如果按形状，纳米材料可以分为
•原子团簇、纳米颗粒和粉体、纳米管、纳米线、纳米带、纳米片、纳米薄膜、介孔
定义：仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。当前能大量制备并分离的团簇是C60(富勒烯)
一元原子团簇包括金属团簇(加Nan，Nin等)和非
金属团簇．非金属团簇可分为碳簇(如C60,C70
等)和非碳族(如B，P，S，Si簇等)．

二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。

多元原子团簇有Vn(C6H6)m等．

原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学
键结合形成的化合物

制备C60常用的方法：国家自然科学基金重大项目：
“原子团簇的物理和化学”、
“团簇组装纳米结构的量子性质”1.1.2纳米微粒用途：
吸波隐身材料、
防辐射材料、
单晶硅和精密光学器件抛光材料、
电池电极材料、
太阳能电池材料、
高效催化剂、高效助燃剂、
高韧性陶瓷材料、
人体修复材料和抗癌制剂等。1.1.3纳米粒子薄膜与纳米粒子层系纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、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。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）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1000°C的航天飞机隔热材料、0-0复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体;
0-3复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中;
0-2复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.
均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布；
非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中。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。1.1.6碳纳米管纳米管、纳米棒、纳米丝碳纳米管，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。因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制方面有着重要的应用前景：
它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖
纳米器件
超大集成电路(ULSIC)中的连线
光导纤维
微电子学方面的微型钻头
复合材料的增强剂等
目前关于一维纳米材料(纳米管、纳米丝、纳米棒等)的制备研究已有大量报道。

碳纳米管本身有非常完美的结构，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。碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但：

氮化硅纳米丝1.2纳米微粒的基本性质1.2.1小尺寸效应对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质：
（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质：
（4）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。
1.2.2.表面效应1.2.2.表面效应随着粒径减小，表面原子数迅速增加．
这是由于粒径小，表面积急剧变大所致．
例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2／g，
粒径为5nm时，比表面积为180m2／g，
粒径下降到2nm，比表面积猛增到450m2／g．
表面原子特点：
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，极不稳定，很容易与其他原子结合1.2.3量子尺寸效应久保(Kubo)理论是关于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．1986年Halperin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。1.2.5宏观量子隧道效应上述的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。
它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常现象”．
例如:
金属为导体，但纳米金属微粒在低温时由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性。
众所周知，金属由于光反射显现各种美丽的特征颜色，金属的纳米微粒光反射能力显著下降，通常可低于1％，由于小尺寸和表面效应使纳米微粒对光吸收表现极强能力；
介电限域效应