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1、第10章 纳米材料 Chapter 10 Nanomaterials * 本章内容 1. 纳米材料的种类 2. 纳米材料的特性 3. 纳米材料的制备 4. 纳米材料的应用 Date 学习目的 1. 了解纳米材料的种类 2. 了解纳米效应及其对纳米材料性质的影响 3. 理解纳米材料的制备原理及方法 4. 了解纳米材料的应用 Date What does Nano mean? “Nano” derived from an ancient Greek word “Nanos” meaning DWARF. “Nano” = One billionth of something “A Nanomete
2、r” = One billionth of a meter 10 hydrogen atoms shoulder to shoulder Date Definition Nanomaterials-materials having at least one spatial dimension in the size range 1100 nm. 纳米材料-微观结构至少在一维方向上受纳米 尺度（1nm100nm）调制的各种固体超细材料 ，或由它们作为基本单元构成的材料。 Date Date 纳米材料的发展 最早的纳米材料： 中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡 中国古代的墨及染料 1857年，法拉
3、第制备出金纳米颗粒 1861年，胶体化学的的建立 1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论(体积效应，随着纳米粒 子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而 使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体 ) 上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究 1985年， H. W. Kroto (University of Sussex), R. E. Smalley和R. F. Curl (Rice University)等人发现C60和C701996 Nobel Prize in Chemistry 1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议 1994年，在波士顿召开的
4、MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程 2004年A. K. Geim和K. S. Novoselov(University of Manchester)等人报 到制备石墨烯的简单方法-两人获2010 Nobel Prize in Physics Date 第一阶段 (1990年以前) v在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗 粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征 的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。 第二阶段 (1994年以前) v如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学 和力学性能，设计纳米复合材料。 第三阶段 (1994之后) v纳米组装体系。 Date 纳米科技主要包括
5、纳米体系物理学、纳米化学、纳米 材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力 学这7个相互独立又相互渗透的学科，以及纳米材料、纳 米器件、纳米尺度的检测与表征这3个研究领域。 纳米物理学和纳米化学为纳米技术提供理论依据，纳 米电子学是纳米技术最重要的内容，而纳米材料的制备和 研究则是整个纳米科技的基础。 Date 10.1 纳米材料的种类 按化学组成与结构: 纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分 子材料、纳米复合材料； 按力学性能: 纳米增强陶瓷材料、纳米改性高分子材料、纳米 耐磨及润滑材料、超精细耐磨材料； 按光学性能: 纳米吸波(隐身)材料、光过滤材料、光导电材料 、感光或发光材料、
6、纳米改性颜料、纳米抗紫外线材料； 按电子性能: 纳米半导体传感器材料、纳米超纯电子浆料； 按磁性: 高密度磁记录介质材料、磁流体、纳米磁性吸波材料 、纳米磁性药物、纳米微晶永磁或软磁材料、室温磁制冷 材料; 按热学性能: 纳米热交换材料、低温烧结材料、低温焊料、特 种非平衡合金; 按生物与医用性能:纳米药物、纳米骨和齿修复材料、纳米抗 菌材料; 按表面活性:纳米催化材料、吸附材料、防污环境材料 Date 二维 指在空间中有一维 在纳米尺度， 如超薄膜、多层膜、超晶格等 按照维数划分 零维 指在空间三维方向 均为纳米尺度的颗粒、原 子团簇等 一维 指在空间有二维处于纳 米尺度，如纳米丝、纳 米棒
7、、纳米管等 Date 1. 原子团簇 Atomic Clusters 介于单个原子与固态块体之间的原子集合体，其尺寸一般 小于1nm，约含几个到几百个原子。 “幻数”个原子稳定性(2、8、20、28、50、82、114、126、 184 ) 气、液、固态的并存与转化 极大的表面/体积比 异常高的化学活性和催化活性 结构的多样性和排列的非周期性 电子的原子壳层、原子簇壳层和能带结构的过渡和转化 光的量子尺寸效应和非线性效应 电导的几何尺寸效应 Date vMetal nanocrystals in closed-shell configurations with magic number of
8、atoms Date The Relation Between the total number of atoms in Full shell (Magic Number) clusters and the percentage of surface atoms Full-shell Clusters Total Number of Atoms Surface Atoms (%) 1 Shell1392 2 Shells5576 3 Shells14763 4 Shells30952 5 Shells56145 7 Shells141535 Date Structure of C60 Date
9、 Fullerenes为类似足球的笼形化合物，是继金刚石、石 墨之后C元素的第3种晶体形态。 C60是最先发现的富勒烯 ，由12个5元环面与20个6元环面组成的球形32面体，大小 仅有0.7nm，而C70则有12个5元环面与25个6元环面。 C60具有无数优异的性质，其本身是半导体，但经掺杂 后可变成临界温度很高的超导体，由它所衍生出来的碳纳 米管比相同直径的金属强度高100万倍。 目前，研究原子团簇的结构与特性主要有两方面的工 作，一方面是理论计算原子团簇的原子结构、键长、键角 和排列能量最小的可能存在结构；另一方面是实验研究原 子团簇的结构与特性，制备原子团，并设法保持其原有特 性压制成块
10、，进而开展相关的应用研究。 Date 2. 纳米颗粒 nanoparticles 纳米颗粒：尺寸为纳米量级(1100nm)的超微颗粒(原子数 范围103105个)，肉眼与一般显微镜不可见，但高分辨的电 子显微镜可见(TEM、STM)； 一般不具有幻数效应； 比表面积远大于块体材料 导致其电子状态发生突变 产生各种纳米效应(量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效 应和宏观量子隧道效应)，在催化、滤光、光吸收、磁介 质及新材料等方面都可获得应用。 Date TEM Images of Au Nanoparticles Date (a)TEM overview image of 11 nm -Fe2O3
11、nanocrystals. The highly uniform particle size leads to the formation of a 2D supercrystal on the TEM grid. TEM overview images of CoFe2O4 nanocrystals with spherical morphology of (b) 5 nm and (c) 8 nm, and of cubic shape, (d) 9 nm and (e) 11 nm in size. Date 一维纳米材料 Classifications of 1D Nanostruct
12、ures Date 质轻、高韧性， 并具有类似钻石的杨氏模量， 以及特殊的电子传输特性， 被认为是最佳的纳米组件材料之 一。 此外，由于其尖端直径可达到1nm ，因此也是最佳的纳米探针材料 。 3. 碳纳米管 Carbon Nanotube(CNT) Date 碳纳米管是1991年才被发现的一种碳结构。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，管两端一般由含五边形的半球面网格封口。 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(single walled carbon nanotubes, SWNT)，两层的称为双壁碳纳米管(double
13、walled carbon nanotubes, DWNT)，多余两层的则称为多壁 碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes, MWNT)。SWNT 的直径一般为16nm,最小直径大约为0.5nm，与C36的直径 相当，但SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生 塌陷。SWNT管的长度则可达几百纳米至几个微米。由于 SWNT的最小直径与富勒烯分子接近，故也有人称其为富 勒管。MWNT的层间距约为0.34nm，直径在几个纳米到几 十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。由于 碳纳米管具有较大的长径比，所以可将其视为准一维纳米 材料。Date 碳纳米管尺寸尽
14、管只有头发丝的十万分之一，但它的 电导率却是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍，而重量只 有钢的七分之一。它像金刚石一样硬，却有柔韧性，可以 拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。 由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料 在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面， 利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器 、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域；在材料方 面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材 料领域；它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反 应的催化剂的优良载体；在军事方面，利用其对波的吸收 、折射率高的特性，可将其作为隐身材料广泛 应用于隐形 飞机和超
15、音速飞机；在航天领域，利用其良好的热学性能 ，将其添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。 Date SEM images of CNT Date Date 纳米线和纳米棒 nanowires and nanorods SEM images of (a) AlN, (b) GaN, (c) InN; (d)(f ) HREM images of AlN, GaN and InN nanowires (double headed arrow indicates crystal long axis, and the spacing between two white lines gives t
16、he lattice spacing) Date TEM Image of Au TEM Image of Au NanorodsNanorods Prepared by a Prepared by a Seed-Mediated Growth MethodSeed-Mediated Growth Method Aspect Ratio = 13 J. Phys. Chem. B. 2001, 105, 4065 Date TEM images of CoP nanorods of varying aspect ratios obtained using different ratios of hexadecylamine and tr
