纳米材料的基本概念和性质汇总课件.ppt

1、第一章第一章 纳米材料的基本概念与性质纳米材料的基本概念与性质基本内容基本内容一、纳米材料的基本概念一、纳米材料的基本概念二、纳米材料的基本性质二、纳米材料的基本性质一、纳米材料的基本概念一、纳米材料的基本概念u从狭义上说：从狭义上说：纳米材料就是关于原子团簇、纳米纳米材料就是关于原子团簇、纳米颗粒、纳米碳管、纳米线、纳米薄膜和颗粒、纳米碳管、纳米线、纳米薄膜和纳米固体材料的总称。纳米固体材料的总称。u从广义上说：从广义上说：纳米材料应该是三维空间中至少有纳米材料应该是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成纳米尺寸水平的材料。本单元构成纳

2、米尺寸水平的材料。1 1、原子团簇（、原子团簇（atomic clusteratomic cluster）u定义：几个至几千个原子或离子通过物理或定义：几个至几千个原子或离子通过物理或化学力结合，组成相对稳定的微观或亚微观化学力结合，组成相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化的聚集体，简称团簇。目而变化的聚集体，简称团簇。团簇的研究是多学科的交叉团簇的研究是多学科的交叉化化 学学物物 理理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、分子物理原子、分子物理非晶态非晶态表面物理表面

3、物理晶体生长晶体生长其其 它它星际分子星际分子矿岩成因矿岩成因燃烧烟粒等燃烧烟粒等原子团簇的分类原子团簇的分类金属团簇，如金属团簇，如Nan，Nin等等l 一元原子团簇一元原子团簇非金属团簇非金属团簇碳簇，如碳簇，如C C6060，C C7070等等非碳簇，如非碳簇，如B B，P P，S S簇簇l 二元原子团簇：二元原子团簇：包括包括InInn nP Pm m，AgAgn nS Sm m等等l 多元原子团簇：多元原子团簇：包括包括V Vn n(C(C6 6H H6 6)m m等等l 原子簇化合物：原子簇化合物：原子团簇与其他分子以配位化学键结原子团簇与其他分子以配位化学键结合形成的化合物合形成

4、的化合物O l 范德华力：范德华力：HeHe、NeNe、ArAr、KeKe、XeXel 离子键：离子键：LiFLiF、NaClNaCl、CuBrCuBr、CsICsIl 化学键：化学键：C C6060、金属原子团簇、金属原子团簇l 尺尺 寸：寸：空间尺度为几个埃到几百埃的范围空间尺度为几个埃到几百埃的范围l 存在形式：存在形式：不同于单个原子、分子，也不同于固体不同于单个原子、分子，也不同于固体 液体，介于两者之间液体，介于两者之间l 产生条件：产生条件：作为原子聚集体，多产生于非平衡条件作为原子聚集体，多产生于非平衡条件富勒烯：富勒烯：一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成，以一种碳的同素

5、异形体。任何由碳一种元素组成，以球球 状，椭圆状或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。状，椭圆状或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。2 2、纳米微粒、纳米微粒u 定义：定义：颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺度大颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微粉，一般在于原子团簇，小于通常的微粉，一般在1 1-100nm-100nm之间。之间。u 特性：特性：l 小尺寸效应小尺寸效应l 表面效应表面效应l 量子尺寸效应量子尺寸效应l 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应u 应用：应用：l 光、电、磁、敏感和催化材料光、电、磁、敏感和催化材料l 吸波材料吸波材料l 防辐射

6、材料防辐射材料l 高韧性陶瓷材料等高韧性陶瓷材料等3 3、碳纳米管、纳米棒、纳米线、碳纳米管、纳米棒、纳米线u 碳纳米管是纳米材料的一支新军。它由纯碳元素碳纳米管是纳米材料的一支新军。它由纯碳元素组成，是由类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物，组成，是由类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物，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。达数微米甚至数毫米。u 碳纳米管的性质：碳纳米管的性质：l 导电率是铜的导电率是铜的1 1万倍万倍l 强度是钢的强度是钢的100100倍而重量只有钢的七分之一倍而重量只有钢的七分之一l 像金刚石那样硬，却

7、有柔韧性，可以拉伸像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸l熔点是已知材料中最高的熔点是已知材料中最高的u 碳纳米管的应用：碳纳米管的应用：l 纤维材料纤维材料l 隐身材料隐身材料l 平面显示材料平面显示材料l 微电子器件等微电子器件等4、纳纳米薄膜与纳与纳米涂层层u 定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的薄膜、纳米粒子复合涂层或多层膜。寸厚度的薄膜、纳米粒子复合涂层或多层膜。l 镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调制掺杂效应，该结构相当于大原子制掺杂效应，该结构相当于大原子-超原子膜材料，超原子膜材

8、料，具有三维特征。具有三维特征。u 特殊的物理和化学性质：特殊的物理和化学性质：l 纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能，纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能，这类集成器件具有惊人的信息处理能力；这类集成器件具有惊人的信息处理能力；l 纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构，纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构，导致磁性材料的饱和化强度的减小或增强。导致磁性材料的饱和化强度的减小或增强。5、纳纳米固体材料u 定义：具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体定义：具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。例如，由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体，材料。例如，由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体，结

9、构上表现为颗粒和界面双组元；原子团簇堆亚成块结构上表现为颗粒和界面双组元；原子团簇堆亚成块体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体等。体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体等。u 纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如如5nm5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含颗粒所构成的固体每立方厘米将含10191019个晶界，个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高原子的扩散系数要比大块材料高1014101410161016倍，从而倍，从而使得纳米材料具有高韧性。使得纳米材料具有高韧性。u 应用：应用：l 含有含有2020超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭

10、喷气口的耐超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料。高温材料。l 金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、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。强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。l 超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原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，使其间连续地发生变化，这种材料可用于的复合体，使其间连续地发生变化，这种

11、材料可用于温差达温差达10001000的航天飞机隔热材料。的航天飞机隔热材料。6、纳纳米复复合材料u 定义：纳米复合材料是由两种或两种以上的定义：纳米复合材料是由两种或两种以上的固相（其中，至少在一维为纳米级大小）复合固相（其中，至少在一维为纳米级大小）复合而成的复合材料。这些固相可以是晶质、非晶而成的复合材料。这些固相可以是晶质、非晶质、半晶质或兼而有之。也可以是有机物、无质、半晶质或兼而有之。也可以是有机物、无机物或二者兼有。机物或二者兼有。u 纳米复合材料的特点：纳米复合材料的特点：l 可综合发挥各组分间协同效能可综合发挥各组分间协同效能l 性能的可设计性性能的可设计性l 可按需加工材料

12、的形状可按需加工材料的形状u 纳米复合材料的性质：纳米复合材料的性质：l 同步增韧、增强效应。无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性，同步增韧、增强效应。无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性，纳米无机材料对有机材料的复合改性，可在发挥无机材料增强效果的纳米无机材料对有机材料的复合改性，可在发挥无机材料增强效果的同时起到增韧的效果。同时起到增韧的效果。l 新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合材料中，可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如高效催化剂、材料中，可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如高效催化剂、紫外光

13、屏蔽等。紫外光屏蔽等。l 强度大、弹性模量高。加入很少量的纳米材料即可使聚合物复合材强度大、弹性模量高。加入很少量的纳米材料即可使聚合物复合材料的强度、刚度、韧性得到明显的提高，且材料粒度越细，复合材料料的强度、刚度、韧性得到明显的提高，且材料粒度越细，复合材料的强度、弹性模量就越高。的强度、弹性模量就越高。l 阻隔性能。层状无机纳米材料可以在二维方向上阻隔各种气体的渗阻隔性能。层状无机纳米材料可以在二维方向上阻隔各种气体的渗透，所以具有良好的阻燃、气密作用。透，所以具有良好的阻燃、气密作用。u 纳米复合材料的应用：纳米复合材料的应用：l 超导材料超导材料l 纳米复合功能陶瓷纳米复合功能陶瓷

14、l 纳米复合隐身材料纳米复合隐身材料 l 医用纳米机器人医用纳米机器人 l 纳米医用载体纳米医用载体 l 纳米复合抗老化塑料纳米复合抗老化塑料 l 纳米复合抗菌塑料纳米复合抗菌塑料二、纳米材料的基本性质二、纳米材料的基本性质1 1、小尺寸效应、小尺寸效应2 2、表面效应、表面效应3 3、量子尺寸效应、量子尺寸效应4 4、量子隧道效应、量子隧道效应 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及量子隧小尺寸效应、表面效应、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。道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。1、小尺寸效应应u 由于纳米颗粒的尺寸、体积极小，所包含的原子、电子由于纳米颗粒的尺寸

15、、体积极小，所包含的原子、电子数目很少，因此许多现象不能用通常含有无数个原子的大块数目很少，因此许多现象不能用通常含有无数个原子的大块物质的性质加以说明。随着纳米颗粒尺寸不断减小的量变，物质的性质加以说明。随着纳米颗粒尺寸不断减小的量变，在一定条件下将引起颗粒性质的质变，这种由于颗粒尺寸变在一定条件下将引起颗粒性质的质变，这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。u 对于超微颗粒而言，尺寸变小，比表面积显著增加，导对于超微颗粒而言，尺寸变小，比表面积显著增加，导致材料的力、热、光、电、磁等特性与普通颗粒相比出现很致材料的力、热、光

16、、电、磁等特性与普通颗粒相比出现很大变化。大变化。l 特殊的力学性质：特殊的力学性质：当纳米颗粒构成固体时，由于界面急剧当纳米颗粒构成固体时，由于界面急剧增多，界面上的原子排列相对混乱、易于迁移，界面在外力的增多，界面上的原子排列相对混乱、易于迁移，界面在外力的作用下易变形，使材料表现出甚佳的韧性及延展性。作用下易变形，使材料表现出甚佳的韧性及延展性。l 特殊的热学性质：特殊的热学性质：固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点却显著降低，当颗粒小于是固定的，超细微化后其熔点却显著降低，当颗粒小于10nm10nm时，时，变化尤为显著，这主要是

17、由于有大量原子处于能量相对较高的变化尤为显著，这主要是由于有大量原子处于能量相对较高的界面中，颗粒熔化时所需增加的内能比块体材料熔化时所需增界面中，颗粒熔化时所需增加的内能比块体材料熔化时所需增加的内能要小得多，从而使纳米固体的熔点较低。如块状金的加的内能要小得多，从而使纳米固体的熔点较低。如块状金的熔点为熔点为10641064，粒度为，粒度为10nm10nm时熔点也有时熔点也有1037 1037，但当粒度降，但当粒度降为为2nm2nm时，其熔点就只有时，其熔点就只有327327了了；块状银的熔点为；块状银的熔点为670 670 ，但当尺寸降为但当尺寸降为5 5 10nm10nm时，其熔点降至

18、时，其熔点降至570 570 。特殊的热学性质应用实例：特殊的热学性质应用实例：1 1）超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件）超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用所料；采用的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用所料；采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。高质量。2 2）在钨颗粒中附加）在钨颗粒中附加0.1%0.1%0.5%0.5%重量比的超微镍颗粒后，重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从可使烧结温度从30003000降低到降低到1200 1200 1300

19、 1300，以致可在，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。特殊的力学性质应用实例：特殊的力学性质应用实例：1 1）陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳）陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。好的韧性。2 2）人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为）人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为由纳米磷酸钙构成的牙釉具有高强度和高硬由纳米磷酸钙构成的牙釉具有高强度和高硬度，其硬度仅次于金刚石。度，其硬度仅次于金刚石。3 3）德国萨尔大学格莱德和美国啊贡国家实验）德国萨尔大学

20、格莱德和美国啊贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温显示良好的韧性，在化钛，在室温显示良好的韧性，在180180度经受度经受弯曲并不产生裂纹。弯曲并不产生裂纹。l 特殊的光学性质：特殊的光学性质：当超微颗粒的尺寸与光波波长（几百当超微颗粒的尺寸与光波波长（几百纳米）相当时，颗粒对光的吸收将极大增强、光反射显著下纳米）相当时，颗粒对光的吸收将极大增强、光反射显著下降（通常可低于降（通常可低于1%1%），几个纳米厚的集合体就能完全消光，），几个纳米厚的集合体就能完全消光，产生高效的光热、光电转换。利用这一特性可以制备高品质产生高效的光热、

21、光电转换。利用这一特性可以制备高品质的光热、光电转换材料，可以高效地将太阳能转变为热能和的光热、光电转换材料，可以高效地将太阳能转变为热能和电能。电能。l 纳米颗粒的小尺寸效应还表现在声学特性、介电性能、纳米颗粒的小尺寸效应还表现在声学特性、介电性能、超导电性以及化学性能等方面超导电性以及化学性能等方面。2、表面效应应u 纳米颗粒的表面原子数与总原子数之比随着纳米颗粒的纳米颗粒的表面原子数与总原子数之比随着纳米颗粒的减小而大幅度地增加，颗粒的表面能及表面张力也随着增加，减小而大幅度地增加，颗粒的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米颗粒物理化学性质的变化，此即为纳米颗粒的从而引起纳米颗粒物理

22、化学性质的变化，此即为纳米颗粒的表面效应。表面效应。纳米粒子尺寸（nm）包含总原子数表面原子所占比例（%）10310420441034022.51028013099纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系图表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系图u 表面原子特点：表面原子特点：表面原子所处环境与内部原子不同，它周围缺少相邻的表面原子所处环境与内部原子不同，它周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，易与其它原子相结合原子，有许多悬空键，具有不饱和性，易与其它原子相结合而稳定下来，所以纳米颗粒粒径减小的结果，导致其表面

23、积、而稳定下来，所以纳米颗粒粒径减小的结果，导致其表面积、表面原子数、表面能及表面结合能都迅速增大，使纳米颗粒表面原子数、表面能及表面结合能都迅速增大，使纳米颗粒呈现出很高的化学活性。呈现出很高的化学活性。例如例如，金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应；金属子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应；金属纳米粒子的氧化速率与表面积成正比。纳米粒子的氧化速率与表面积成正比。u 高表面活性的利用：高表面活性的利用：l 表面吸附储氢表面吸附储氢l 制备高效催化剂制备高效催化剂l 实现低熔点材料实现低熔点材料3、

24、量子尺寸效应应u 纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的电子能级分布。在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成电子能级分布。在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成一个个晶体能带。金属晶体中电子未填满整个导带，在热扰一个个晶体能带。金属晶体中电子未填满整个导带，在热扰动下，金属晶体中的电子可以在导带各能级中较自由的运动，动下，金属晶体中的电子可以在导带各能级中较自由的运动，所以金属晶体表现出良好的导电及导热性。在纳米材料中由所以金属晶体表现出良好的导电及导热性。在纳米材料中由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在这一维度中，电子相当于至少存在

25、一个维度为纳米尺寸，在这一维度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中，电子能级由准连续分布能于被限制在一个无限深的势阱中，电子能级由准连续分布能级转变为分立的束缚态能级。当离散的能级间距大于热能、级转变为分立的束缚态能级。当离散的能级间距大于热能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，将导致金静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，将导致金属纳米微粒的热、电、磁、光以及超导性与宏观物体有显著属纳米微粒的热、电、磁、光以及超导性与宏观物体有显著的不同，呈现出一系列反常的特性，此即为金属纳米微粒的的不同，呈现出一系列反常的特性，此即为金属纳米微粒的量子尺寸效应。量子尺寸效应。u 相邻电

26、子能级间距和颗粒直径的关系：相邻电子能级间距和颗粒直径的关系：式中，式中，为相邻的电子能级间距；为相邻的电子能级间距；N N为一个超微粒的总导电电为一个超微粒的总导电电子数；子数；V V为超微粒体积；为超微粒体积；E EF F为费米能级为费米能级例如例如，宏观状态下的金属宏观状态下的金属AgAg是导电率最高的导体，但是导电率最高的导体，但粒径小于粒径小于20nm20nm的的AgAg微粒在微粒在1K1K的低温下却变成了绝缘体，的低温下却变成了绝缘体，这是由于其能级间距变大，低温下的热扰动不足以使电这是由于其能级间距变大，低温下的热扰动不足以使电子克服能隙的阻隔而移动，电阻率增大，从而使金属良子克

27、服能隙的阻隔而移动，电阻率增大，从而使金属良导体变为绝缘体。导体变为绝缘体。u 对于任何一种材料，都存在一个临界颗粒大小的对于任何一种材料，都存在一个临界颗粒大小的限制，小于该尺寸的颗粒将表现出量子尺寸效应。限制，小于该尺寸的颗粒将表现出量子尺寸效应。除导体变为半导体、绝缘体以外，纳米微粒的比热、除导体变为半导体、绝缘体以外，纳米微粒的比热、磁矩等性质将与其所含电子数目的奇偶性有关，如：磁矩等性质将与其所含电子数目的奇偶性有关，如：含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的颗粒具有顺磁性（电子自旋磁矩的抵消情况不同）。颗粒具有顺磁性（电子自旋磁矩的

28、抵消情况不同）。纳米金属颗粒的电子数一般不易改变，因为当其半纳米金属颗粒的电子数一般不易改变，因为当其半径接近径接近10nm10nm时，增加或减少一个电子所需要作的功时，增加或减少一个电子所需要作的功（约（约0.1eV0.1eV）比室温下的热扰动能值（）比室温下的热扰动能值（k kB BT T）要大。）要大。当设法改变纳米微粒所含的电子数目时就可以改变当设法改变纳米微粒所含的电子数目时就可以改变其物性。其物性。4、宏观观量子隧道效应应隧道效应是基本的量子现象之一，即隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子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的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿

29、越这一势垒。势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强近年来，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度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。故称之为宏观量子隧道效应。在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在限尺寸大概在0.250.25微米。微米。