纳米光电材料课件

纳米光电材料纳米光电材料1纳米光电材料中南民族大学课程介绍重点：光电薄膜重点：光电薄膜主要内容主要内容制备表征方法制备表征方法光学光学性能性能电学电学性能性能光电发射性能光电发射性能课程介绍重点：光电薄膜主要内容制备表征方法光学性能电学性能光纳米光电材料中南民族大学第一章绪论材料与人类文明材料与人类文明石器时代青铜时代铁器时代电子时代第一章绪论材料与人类文明石器时代青铜时代铁器时代电子时代纳米光电材料中南民族大学石器时代（石器时代（10000年前）年前）石器时代（10000年前）纳米光电材料中南民族大学青铜时代（青铜时代（5000年前）年前）青铜时代（5000年前）纳米光电材料中南民族大学铁器时代（铁器时代（3000年前）年前）铁器时代（3000年前）纳米光电材料中南民族大学电子时代（电子时代（20世纪中叶）世纪中叶）电子时代（20世纪中叶）纳米光电材料中南民族大学未来（光电子时代？）未来（光电子时代？）未来（光电子时代？）纳米光电材料中南民族大学纳米材料什么是纳米材料什么是纳米材料（1）纳米尺度：）纳米尺度：1nm到到100nm范围的几何尺度；范围的几何尺度；（2）纳米结构单元：）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括稳定的团簇或人造原子团簇、纳米晶、纳米粒子、纳米管、括稳定的团簇或人造原子团簇、纳米晶、纳米粒子、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米单层膜及纳米孔等；纳米棒、纳米线、纳米单层膜及纳米孔等；（3）纳米材料：）纳米材料：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成的且具有特殊性质的材料。度，或由纳米结构单元组成的且具有特殊性质的材料。纳米材料什么是纳米材料（1）纳米尺度：1nm到100nm范围纳米光电材料中南民族大学纳米材料的发展历史纳米材料的发展历史古人的古人的“无意之作无意之作”：在在2000多年前多年前的希腊的希腊罗马时期，古埃及人掌握了一种把头发染黑的技术，罗马时期，古埃及人掌握了一种把头发染黑的技术，其机理是通过原位反应的方式，在头发的皮质层及表层形成了平均粒径约其机理是通过原位反应的方式，在头发的皮质层及表层形成了平均粒径约5nm的方铅矿纳米粒子。的方铅矿纳米粒子。1000年以前，年以前，中国人利用燃中国人利用燃烧的蜡的蜡烛形成的烟形成的烟雾制成碳黑，作制成碳黑，作为墨的原料或着墨的原料或着色染料，科学家色染料，科学家们将其誉将其誉为最早的最早的纳米材料米材料。中国古代的。中国古代的铜镜表面防表面防锈层是由是由Sn02颗粒构成的薄膜粒构成的薄膜。公元公元4世纪世纪古罗马的莱格拉斯雕花玻璃酒杯（古罗马的莱格拉斯雕花玻璃酒杯（Lycurgus Cup），在反射光下呈），在反射光下呈绿色、在透射光下则呈红色，源于在玻璃杯的内层形成了绿色、在透射光下则呈红色，源于在玻璃杯的内层形成了微量的金、银纳米粒微量的金、银纳米粒子子。纳米材料的发展历史古人的“无意之作”：在2000多年前的希腊纳米光电材料中南民族大学 古人的纳米材料作品古人的纳米材料作品左：王羲之的左：王羲之的“丧乱帖丧乱帖”，1300多年前流传到日本；右：多年前流传到日本；右：莱格拉斯莱格拉斯杯杯古人的纳米材料作品纳米光电材料中南民族大学纳米材料的分类纳米材料的分类 基本类型基本类型尺度、形貌与结构特征尺度、形貌与结构特征实例实例零维纳米材料零维纳米材料三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状。近等轴状。原子团簇（原子团簇（atom cluster），量子点（），量子点（quantum dot），纳米粒子（），纳米粒子（nanoparticle）一维纳米材料一维纳米材料单向延伸，二维尺度为纳米级，第三维尺度单向延伸，二维尺度为纳米级，第三维尺度不限。不限。纳米棒（纳米棒（nanorod），纳米线（），纳米线（nanowire），纳米），纳米管（管（nanotube），纳米晶须（），纳米晶须（nano whisker），纳），纳米纤维（米纤维（nanofiber），纳米卷轴（），纳米卷轴（nanoscroll），），纳米带（纳米带（nanobelt）单向延伸，直径大于单向延伸，直径大于100纳米，具有纳米结构。纳米，具有纳米结构。纳米结构纤维（纳米结构纤维（nanostructured fiber）二维纳米材料二维纳米材料一维尺度为纳米级，面状分布。一维尺度为纳米级，面状分布。纳米片（纳米片（nanoflake），纳米板（），纳米板（nanoplate），纳），纳米米薄膜（薄膜（nanofilm），纳米涂层（），纳米涂层（nanocoating），单），单层膜（层膜（monolayer），纳米多层膜（），纳米多层膜（nano multilayer）面状分布，厚度大于面状分布，厚度大于100纳米，具有纳米结构。纳米，具有纳米结构。纳米结构薄膜（纳米结构薄膜（nanostructured film），纳米结构），纳米结构涂层（涂层（nanostructured coating）三维纳米材料三维纳米材料包含纳米结构单元、三维尺寸均超过纳米尺度包含纳米结构单元、三维尺寸均超过纳米尺度的固体。的固体。纳米陶瓷（纳米陶瓷（nanoceramics），纳米金属），纳米金属（nanometals），纳米孔材料（），纳米孔材料（nanoporous materials），气凝胶（），气凝胶（aerogel），纳米结构阵列），纳米结构阵列（nanostructured arrays）由不同类型低维纳米结构单元或低维纳米结构由不同类型低维纳米结构单元或低维纳米结构单元与常规材料复合形成的固体。单元与常规材料复合形成的固体。纳米复合材料（纳米复合材料（nanocomposite materials）纳米材料的分类基本类型尺度、形貌与结构特征实例零维纳米材料纳米光电材料中南民族大学零维纳米材料零维纳米材料金属纳米粒子、半导体纳米粒子、陶瓷纳米粒子以及量子点的可金属纳米粒子、半导体纳米粒子、陶瓷纳米粒子以及量子点的可控制备取得了长足的进展。控制备取得了长足的进展。纳米粒子的表面进行有机或无机包覆改性：纳米粒子的表面进行有机或无机包覆改性：控制纳米粒子在制备与加工过程中长大及团聚。控制纳米粒子在制备与加工过程中长大及团聚。消除颗粒表面的电荷效应、有效防止团聚，消除颗粒表面的电荷效应、有效防止团聚，在通过烧结等高温过程制备纳米结构块体或薄膜材料时可以抑制在通过烧结等高温过程制备纳米结构块体或薄膜材料时可以抑制颗粒的长大，颗粒的长大，有利于纳米粒子与高分子材料复合。有利于纳米粒子与高分子材料复合。研究的热点：研究的热点：在电子信息、生物医学等诸多领域有广泛在电子信息、生物医学等诸多领域有广泛的应用前景的过渡金属纳米粒子与贵金属纳米粒子。的应用前景的过渡金属纳米粒子与贵金属纳米粒子。零维纳米材料金属纳米粒子、半导体纳米粒子、陶瓷纳米粒子以及量纳米光电材料中南民族大学C60量子点量子点金属团簇金属团簇C60量子点金属团簇纳米光电材料中南民族大学一维纳米材料一维纳米材料研究重点：研究重点：纳米管与纳米线，纳米管与纳米线，碳纳米管：碳纳米管：大批量制备与高效分离、纯化仍然是亟待解决的难题。大批量制备与高效分离、纯化仍然是亟待解决的难题。最近的进展包括一步合成碳纳米管、把单层碳纳米管加工成所需最近的进展包括一步合成碳纳米管、把单层碳纳米管加工成所需要的任意形状、微波辅助纯化单壁碳纳米管、利用要的任意形状、微波辅助纯化单壁碳纳米管、利用DNA序列分拣序列分拣出特殊碳纳米管等。出特殊碳纳米管等。氮化硼纳米管、二氧化钛纳米管以及各种纳米线的制备与应用研氮化硼纳米管、二氧化钛纳米管以及各种纳米线的制备与应用研究方面也取得了长足的进步。究方面也取得了长足的进步。研究热点：研究热点：一维纳米材料在复合材料中的应用，纳米管、纳米线、一维纳米材料在复合材料中的应用，纳米管、纳米线、纳米纤维等增强复合材料的研究进展很快，已进入商业领域。纳米纤维等增强复合材料的研究进展很快，已进入商业领域。一维纳米材料研究重点：纳米管与纳米线，研究热点：一维纳米材料纳米光电材料中南民族大学纳米管纳米管纳米管纳米光电材料中南民族大学纳米棒或纳米线纳米棒或纳米线纳米棒或纳米线纳米光电材料中南民族大学纳米带：其截面为四边形纳米带：其截面为四边形纳米带：其截面为四边形纳米光电材料中南民族大学纳米同轴电缆：径向在纳米尺度的核纳米同轴电缆：径向在纳米尺度的核/壳准壳准一维结构。一维结构。纳米同轴电缆：径向在纳米尺度的核/壳准一维结构。纳米光电材料中南民族大学二维纳米材料二维纳米材料二维纳米结构单元：二维纳米结构单元：纳米片，薄膜纳米片，薄膜石墨烯：也被看作一种超材料，当前的研究热点包括石墨烯：也被看作一种超材料，当前的研究热点包括大规模、低成本制备高质量的石墨烯，以及石墨烯内大规模、低成本制备高质量的石墨烯，以及石墨烯内部结构特征及其性能。除石墨烯以外，对于其他纳米部结构特征及其性能。除石墨烯以外，对于其他纳米片材料的研究的成果较少，其中具有马赛克结构的氧片材料的研究的成果较少，其中具有马赛克结构的氧化锰、氢氧化钴纳米片为构筑具有有序结构的材料提化锰、氢氧化钴纳米片为构筑具有有序结构的材料提供了新的途径。供了新的途径。热点：热点：主要集中在功能型纳米结构薄膜与涂层上，以及石墨烯的特殊主要集中在功能型纳米结构薄膜与涂层上，以及石墨烯的特殊物理化学性能。物理化学性能。二维纳米材料二维纳米结构单元：纳米片，薄膜热点：主要集中在功纳米光电材料中南民族大学二维纳米材料的代表：石墨烯二维纳米材料的代表：石墨烯二维纳米材料的代表：石墨烯纳米光电材料中南民族大学中南民族大学电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米纳米中南民族大学电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.1纳米光电材料中南民族大学三维纳米材料三维纳米材料结构型三维纳米材料：结构型三维纳米材料：利用纳米尺寸效应大幅度提高材料的力学利用纳米尺寸效应大幅度提高材料的力学性能。纳米结构金属及合金主要是利用纳米颗粒小尺寸效应所造性能。纳米结构金属及合金主要是利用纳米颗粒小尺寸效应所造成的无位错或低位错密度区域提高其硬度与强度，如纳米结构块成的无位错或低位错密度区域提高其硬度与强度，如纳米结构块体铜材的硬度比常规材料高体铜材的硬度比常规材料高50倍、屈服強度高倍、屈服強度高12倍；纳米陶瓷材倍；纳米陶瓷材料，则着重提高断裂韧性、降低脆性，如纳米结构碳化硅的断裂料，则着重提高断裂韧性、降低脆性，如纳米结构碳化硅的断裂韧性比常规材料提高韧性比常规材料提高100倍。倍。功能型三维纳米材料：功能型三维纳米材料：在传感器、燃料电池电极、催化剂载体、在传感器、燃料电池电极、催化剂载体、信息存储等很多领域都有着重要的作用。信息存储等很多领域都有着重要的作用。目前的制备方法主要有胶体自组装、高分子相分离以及控制化学目前的制备方法主要有胶体自组装、高分子相分离以及控制化学刻蚀等，但这些方法的适用领域狭窄、实验装置复杂，制造三维刻蚀等，但这些方法的适用领域狭窄、实验装置复杂，制造三维纳米结构的全面解决方案还有待开发，纳米模版法等提供了新的纳米结构的全面解决方案还有待开发，纳米模版法等提供了新的途径。途径。三维纳米材料结构型三维纳米材料：利用纳米尺寸效应大幅度提高材纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用力学性能和应用力学性能和应用热热学学性能和应用性能和应用电学电学性能和应用性能和应用光学光学性能和应用性能和应用光电学光电学性能和应用性能和应用磁学磁学性能和应用性能和应用超导超导性能性能和应用和应用化学化学性能性能和应用和应用纳米材料的功能和应用力学性能和应用纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用力学力学性能性能和应用和应用硬度硬度超塑性超塑性拉强度（拉强度（碳碳纳米管）纳米管）纳米材料的功能和应用力学性能和应用纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用力学性能和力学性能和应用应用复合材料增强剂复合材料增强剂纳米秤纳米秤纳米材料的功能和应用力学性能和应用纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用热学性能和应用热学性能和应用熔点降低熔点降低冶金工业冶金工业纳米材料的功能和应用热学性能和应用纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用电学性能和应用电学性能和应用介电性能介电性能输输运性能运性能高密度存储高密度存储量子隧道效应库伦堵塞纳米材料的功能和应用电学性能和应用量子隧道效应库伦堵塞纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用光学性能和应用光学性能和应用光吸收系数大光吸收系数大光反射系数小光反射系数小光致发光光致发光红外吸收红外吸收纳米材料的功能和应用光学性能和应用纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用光电性能和应用光电性能和应用光电效应光电效应光电响应时间光电响应时间太阳能电池（内光电效应）太阳能电池（内光电效应）纳米材料的功能和应用光电性能和应用纳米光电材料中南民族大学光电效应光电效应1921年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖光电效应1921年诺贝尔物理奖纳米光电材料中南民族大学光电响应时间光电响应时间光照开始光照开始电子子进入真空入真空光光电响响应时间光电响应时间光照开始电子进入真空光电响应时间纳米光电材料中南民族大学太阳能电池太阳能电池太阳能电池纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用磁学性能和应用磁学性能和应用矫顽力矫顽力巨磁阻效应巨磁阻效应绝热退磁效应绝热退磁效应纳米材料的功能和应用磁学性能和应用纳米光电材料中南民族大学矫顽力矫顽力最大数值最大数值块体块体为零（超顺磁）为零（超顺磁）大粒径大粒径小粒径小粒径矫顽力最大数值块体为零（超顺磁）大粒径小粒径纳米光电材料中南民族大学巨磁阻巨磁阻巨磁阻纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用超导性能和应用超导性能和应用超导现象：电阻消失（超导现象：电阻消失（1911年昂尼斯）年昂尼斯）KdopedC60纳米材料的功能和应用超导性能和应用KdopedC60纳米光电材料中南民族大学纳米材料的功能和应用化学性能和应用化学性能和应用催化作用（高比表面积）催化作用（高比表面积）光催化作用光催化作用传感器传感器燃烧化学（提高燃烧效率）燃烧化学（提高燃烧效率）催化化学（改善催化效果）催化化学（改善催化效果）纳米材料的功能和应用化学性能和应用纳米光电材料中南民族大学纳米薄膜薄膜分类薄膜分类按成分分类按成分分类按结构分类按结构分类按功能分类按功能分类纳米薄膜薄膜分类纳米光电材料中南民族大学薄膜成分薄膜成分金属薄膜、金属氧化物薄膜、金属混合物薄膜金属薄膜、金属氧化物薄膜、金属混合物薄膜半导体薄膜半导体薄膜氧化物薄膜氧化物薄膜无机薄膜无机薄膜有机薄膜有机薄膜 金属与半导体金属与半导体复合复合薄膜薄膜 无机物与有机物无机物与有机物薄膜成分纳米光电材料中南民族大学薄膜材料的结构薄膜材料的结构单单层薄膜层薄膜多多层薄膜层薄膜纳米薄膜纳米薄膜薄膜材料的结构纳米光电材料中南民族大学薄膜功能薄膜功能力学功能薄膜力学功能薄膜热学热学功能功能薄膜薄膜电学电学功能功能薄膜薄膜光学光学功能功能薄膜薄膜光电功能薄膜光电功能薄膜磁学磁学功能功能薄膜薄膜电磁电磁功能薄膜功能薄膜声学声学功能功能薄膜薄膜分子功能薄膜分子功能薄膜薄膜功能纳米光电材料中南民族大学光电功能薄膜光电效应光电效应出出现新的新的载流子流子（内光（内光电效效应）发射射电子子（外光（外光电效效应）光电功能薄膜光电效应出现新的载流子发射电子纳米光电材料中南民族大学光电发射光电发射 光能光能电能能光电发射光能电能纳米光电材料中南民族大学光电发射光电发射 100多年前，赫多年前，赫兹发现紫外紫外线照射金属照射金属负极可以在正极可以在正负两两电极极间引起火花放引起火花放电勒勒纳和和汤姆姆孙证明明发射的是射的是电子子斯托列托夫斯托列托夫发现阴极的光阴极的光电流大小与光流大小与光强成正比成正比勒勒纳发现发射射电子能量与光子能量与光强无关无关光电发射100多年前，赫兹发现紫外线照射金属负极可以在正负纳米光电材料中南民族大学光电发射光电发射 1905，爱因斯坦因斯坦证明明发射射电子的子的动能与光能与光频率有关，并提出率有关，并提出定量的力量解定量的力量解释1929-1930，第一个复，第一个复杂实用光用光电薄膜阴极薄膜阴极Ag-O-Cs1955，多碱光，多碱光电阴极阴极1963，固体溶胶理，固体溶胶理论，解，解释了了Ag-O-Cs阴极光阴极光电发射机理射机理光电发射1905，爱因斯坦证明发射电子的动能与光频率有关，纳米光电材料中南民族大学光电发射光电发射 20世世纪50年，半年，半导体光体光电发射薄膜材料射薄膜材料20世世纪50年末，半年末，半导体能体能带理理论，解，解释Sb-Cs光光电阴极的光阴极的光电子特性子特性20世世纪60年，年，对Si、Ge和和Se等半等半导体光体光电发射特性射特性进行了广行了广泛研究泛研究最近，最近，III-V化合物成化合物成为光光电研究研究热点点光电发射20世纪50年，半导体光电发射薄膜材料20世纪50纳米光电材料中南民族大学物理机理物理机理纳米光电材料中南民族大学光电薄膜研究趋势内光电效应：提高非晶内光电效应：提高非晶Si薄膜的光电转换效薄膜的光电转换效率，以及提高薄膜材料的稳定性率，以及提高薄膜材料的稳定性外光电效应：提高光电发射的阈波长，以外光电效应：提高光电发射的阈波长，以及获得超快光电时间响应薄膜材料及获得超快光电时间响应薄膜材料光电子激光晶体：超晶格量子井激光和纳光电子激光晶体：超晶格量子井激光和纳米激光米激光光电薄膜研究趋势内光电效应：提高非晶Si薄膜的光电转换效率，