纳米材料导论第一章纳米材料的基本概念与性质课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 纳米材料的基本概念与性质,1,第一章 纳米材料的基本概念与性质1,基本内容,1.1,纳米材料的基本概念,1.2,纳米微粒的基本性质,1,.3,纳米微粒的物理特性,2,基本内容1.1 纳米材料的基本概念1.2 纳米微粒的基本性质,1.1,纳米材料的基本概念,从尺寸概念分析：,纳米材料就是关于原子团簇、纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。,从特性内涵分析,：纳米材料能够体现尺寸效应,(,小尺寸效应,),和量子尺寸效应。,3,1.1 纳米材料的基本概念从尺寸概念分析：纳米材料就是关于原,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。,1.1.1,原子团簇（,atomic cluster,）,原子团簇的形状可以是多种多样的，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、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等,4,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”,化学分支包括：,合成化学,化学动力学,晶体化学,结构化学,原子簇化学,原子团簇研究是多学科的交叉,物理学分支：,原子、分子物理,表面物理,晶体生长,非晶态,其它学科：星际分子、矿岩成因、燃烧烟粒、大气微晶等,5,化学分支包括：原子团簇研究是多学科的交叉物理学分支：其它学科,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”,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研究室,6,国家自然科学基金重大项目：南京大学固体微结构国家实验室（筹）,一元原子团簇,包括金属团簇,(,加,Na,n,，,Ni,n,等,),和非,金属团簇非金属团簇可分为碳簇,(,如,C,60,C,70,等,),和非碳族,(,如,B,，,P,，,S,，,Si,簇等,),二元原子团簇,包括,In,n,P,m,，,Ag,n,S,m,等,。,多元原子团簇,有,V,n,(C,6,H,6,),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,原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子团簇、多元原子团簇和原子簇化合物,7,原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子团簇、多元原子团簇和原子,当前能大量制备并分离的团簇是,C60(,富勒烯,),(,富勒烯,),8,当前能大量制备并分离的团簇是C60(富勒烯)(富勒烯)8,C,60,的结构：,C,60,(,富勒烯,),由,60,个碳原子排列而成的,32,面体，其中,20,个六边形，,12,个五边形，其直径为,0.7nm,。,制备,C,60,常用的方法：,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,C,60,外，还含有,C,70,，,C,20,等其它碳团簇。可以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有,C,70,。,幻数：构成碳团簇的原子数,幻数为,20,，,24,，,28,，,32,，,36,，,50,，,60,，,70,的具有高稳定性，其中又以,C,60,最稳定。,9,C60的结构：C60(富勒烯)由60个碳原子排列而成的32,仅仅通过调节团簇的大小，物质特性就有极大的不同，,10,个铁原子的团簇在催化氨合成时要比,17,个铁原子的团簇效能高出,1000,倍。,10,仅仅通过调节团簇的大小，物质特性就有极大的不同，10,1.1.2,纳米微粒,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，一般尺寸为,1-l00nm,。,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：,用电子显微镜,(TEM),能看到的微粒称为纳米微粒。,11,1.1.2纳米微粒 定义：微粒尺寸为纳米数量级，它们的尺寸,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。,由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。,12,用途：由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于,1.1.3,纳米粒子薄膜与纳米粒子层系,定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或多层膜,具有特殊的物理性质和化学性质,13,1.1.3纳米粒子薄膜与纳米粒子层系定义：含有纳米粒子和原子,(Ni-P)-,纳米,Si3N4,复合层,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,通过搅拌使其悬浮在镀液中,用电刷镀的方法使,Ni-P,合金与纳米,Si3N4,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,.,纳米级第二相粒子沉积镀层举例,14,(Ni-P)-纳米Si3N4复合层纳米级第二相粒子沉积镀层举,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。,1,1,4,纳米固体,纳米固体材料,（,nanostructured materials,）,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,1014,1016,倍，从而使得纳米材料具有高韧性。,15,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,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,1000C,的航天飞机隔热材料、,复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如,：,16,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；复合,多孔材料在多相催化、吸附与分离等领域应用广泛,简介：,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,：,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；,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。,二氧化锆多孔纳米固体的制备（,山东大学）,17,多孔材料在多相催化、吸附与分离等领域应用广泛简介：把纳米颗粒,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。,1,.1.5,纳米复合材料,18,0-0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。,19,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,1,.1.6,碳纳米管纳米管、纳米棒、纳米丝,器件微小化对新型功能材料提出了更高的要求因此，,20,世纪,80,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着巨大的挑战。,自从,1991,年日本,NEC,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关注,20,1.1.6 碳纳米管纳米管、纳米棒、纳米丝器件微小化对新型功,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。,21,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,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。,22,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,皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多脏器严重损害的，全身性疾病，而且不少患者同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如下：,1、早期皮肌炎患者，还往往伴有全身不适症状，如-全身肌肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感觉两腿费力；举手梳理头发时，举高手臂很吃力；抬头转头缓慢而费力。,皮肌炎图片,皮肌炎的症状表现,皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多脏器严重,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。,24,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,碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但：,熔点是已知材料中最高的。,像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。,强度是钢的,100,倍而重量只有钢的七分之一,。,导电率是铜的,1,万倍，,25,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,纳米丝,以碳纳米管为模板合成氮化硅,纳米丝,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，,26,氮化硅纳米丝纳米丝以碳纳米管为模板合成氮化硅纳米丝用微米级S,1.2,纳米微粒的基本性质,1.,电子能级的不连续性,-kubo,理论,2.,量子尺寸效应,3.,小尺寸效应,4.,表面效应,5.,宏观量子隧道效应,27,1.2 纳米微粒的基本性质1.电子能级的不连续性-kub,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。,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,1.2.1,电子能级的不连续性,-kubo,理论,28,久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性,1.2.2,量子尺寸效应,微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，这种现象称为量子尺寸效应。,29,1.2.2 量子尺寸效应微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近,能带理论表明，,金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在,高温或宏观尺寸,情况下才成立对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，,低温下能级是离散,的，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会,导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同,。,30,能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这,1.2.3,小尺寸效应,随着