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1、目录1 绪论11.1 纳米材料的提出及背景12 纳米功能材料简介22.1 纳米功能材料的提出22.2 纳米功能材料的特性22.2.1 纳米功能材料的基本特性22.2.2纳米功能材料的理化性能32.3 几种特殊纳米功能材料及特性42.3.1 一维纳米材料42.3.2 磁性纳米材料52.3.3 稀土功能材料72.4 纳米功能材料的几种制备方法82.4.1 物理方法82.4.2 化学方法82.5 纳米功能材料的应用93 纳米材料研究的进展113.1 国际功能纳米材料研究的现状113.1.1 微机械电子系统(MEMs)的动力派和部件有新突破113.1.2 纳米医药研究取得重要进展113.1.3 纳米芯
2、片和器件研究有贡要突破123.1.4 准一维纳米线和纳米器件有贡要推进123.2 国内功能纳米材料研究的现状133.2.1 基础研究133.2.2 应用研究134 纳米技术材料的未来发展趋势145 结束语16参考文献16致 谢191 绪论 随着材料科学与微加工技术的进步，功能材料已开始由天然物质向人工设计的结构发展，材料组成由单一型向复合型、杂化型转化，颗粒大小由微米级向纳米级过渡。纳米材料微观结构的奇异性和特殊的物理、化学性质为寻找和制造具有特异功能的新材料开辟了道路。纳米材料的研究是一个涉及众多学科领域的交叉科学，在不同学科有不同的称谓，在材料学中称之为超微颗粒，晶体学中称之为微晶，原子分
3、子物理学中称之为团簇，理论物理学中称之为量子点，胶体化学中称之为胶体微料，生物领域称之为超分子结构。其研究应用使化工、陶瓷、电磁、光学、超导、生物医学、农业等许多行业都呈现出崭新的局面。1.1 纳米材料的提出及背景纳米是英文nanometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就像毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵1。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。由于纳米结构单元的尺度（1100nm
4、）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域3。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等
5、形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破1。2 纳米功能材料简介2.1 纳米功能材料的提出当物质到纳米尺度以后，大约是在1100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米功能材料1。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米功能材料。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性
6、能发现，一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴辖穑阉龀纱笤2030纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米功能材料2。2.2 纳米功能材料的特性 2.2.1 纳米功能材料的基本特性(1) 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的质上的变化4。 粒径在10nm 以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm 时，表面原子数比例达到约90 %以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，带来表
7、面原子配位数不足，使之具有很高的表面化学活性，所以，金属纳米粒子在空气中易自燃，无机材料的纳米粒子在大气中会吸咐气体并与之反应3。表面效应主要表现为:熔点降低。如金的常规熔点是1064，当颗粒尺寸减小到10nm 时，降低27 ，2nm 时熔点仅为327银的常规熔点为961，而超微银颗粒的熔点可低于100等4。比热增大。粒径越小，比热越大4。(2) 小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅
8、颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等4。(3) 量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，纳米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化5。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。(4) 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应
9、。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应5。2.2.2纳米功能材料的理化性能纳米材料与常规结构材料相比具有以下特点:(1) 高强度、高韧性6由于纳米材料具有微细组织，表面能大，熔点降低，在烧结过程中致密速度快，烧结温度低和良好的界面延展性，使得材料塑性大为增强，强度和硬度增大。粒度为6nm 的纳米铁断裂强度提高12倍，硬度提高23个数量级；纳米SiC强化微米Al2O3复合材料的强度高达1500MPa，使用温度从基体材料的800提高到1200;普通陶瓷材料呈脆性，纳米化后，会出现超塑性7。因为，一般陶瓷材料由离子键或共价键组成
10、，不具备金属型滑移系，难以具备塑性。纳米陶瓷具有巨大的晶界，晶界的原子排列相当混乱，存在众多的不饱和键，在外力变形的条件下，原子很容易沿晶界方向平移，呈现超塑性。室温下合成的纳米TiO2陶瓷塑性变形量高达100 %6。(2) 高比热和热膨胀系数7纳米晶Pd ( 6nm) 的比热提高29%(15K)至53%(300K)，纳米铜的比热增大2倍，纳米钼的比热也大于块状晶体。纳米铜的平均热膨胀系数比单晶铜增加1倍，纳米铁在居里温度以下的热膨胀系数急剧增加。(3) 异常电导率和扩散率纳米固体的极大量的高度无序结构的界面，使内部原子输送异常，导致扩散系数急剧增大，纳米铜的扩散系数达210 - 18m2/
11、s，比大晶粒铜高1416数量级。纳米固体的量子隧道效应使电子输送出现异常，某些合金的电导率下降百倍以上，在一定温度下，电阻突然下降，纳米半导体对杂质和环境影响比传统半导体敏感得多，如纳米硅的氢含量大于原子含量的5 %时，电导下降2个数量级6。(4) 高磁化率6纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，如纳米Sb的饱和磁矩是普遍金属的1/ 2 。2.3 几种特殊纳米功能材料及特性2.3.1 一维纳米材料一维纳米材料是指两维方向尺寸在纳米尺度范围之内，而另一维方向尺寸较大，甚至是宏观量的纳米材料；通常将长径比小的称纳米棒，长径比大的称纳米丝、纳米线或纳米纤维。由于一维纳米材料，尤其是一维纳米功能材料
12、，在介观领域纳米器件研制等方面有着重要的应用前景，它可用作扫描隧道显微镜的针尖、纳米器件和超大集成电路的连线、光导纤维、敏感材料、微型钻头及复合材料增强剂等2。同时，一维纳米材料既是其他低维纳米材料研究的基础，又与纳米电子器件及微型传感器密切相关，因此，其制备及应用研究已成为近年来材料科学界研究的前沿课题。目前，一维纳米功能材料的制备方法主要有模板法、气-固生长(VS)法、激光烧蚀法、蒸发冷凝法等，所涉及的材料主要有Ag、Cu、C、Si、SiC、CaN、MgO、SnO2等2。性质及应用：一维纳米材料的性能比体相材料要优越得多。尺寸、组成和结晶度可控的一维纳米功能材料已经成为研究结构与性能的关系
13、以及相关应用的非常富有吸引力的体系8。(1) 热稳定性2一维纳米功能材料的热稳定性对于它们能否应用到纳米级电子和光学器件上至关重要。固体被加工成纳米结构后，其熔点会大大降低，这样，无缺陷纳米线的退火温度可能只是体相材料所需退火温度的一部分，为在常温下进行区域精炼来提纯纳米线提供了可能;另外，熔点的降低使得我们可以在相对温和的温度下切割、连接、焊接纳米线，这为将一维纳米材料组装成功能性器件和电路提供了新方法。(2) 电子传送特性随着单个器件的尺寸越来越小，构建材料的电子传送特性成为研究的焦点。已有研究表明，随着尺寸的不断降低，当达到某一临界尺寸时，有些金属纳米线会由导体转变为半导体3。(3) 光
14、学特性当纳米线的直径降到玻尔半径以下时，尺寸限制对其能级的影响就显得非常重要。纳米线的吸收峰相对于体相材料明显蓝移，有明显分离的吸收光谱和相对较强的带边光致发光光谱3。纳米线所发出的光是高度向纵轴方向偏振的，平行和垂直于其长轴方向的光谱强度明显不同。利用这种偏振特性可以组装对偏振灵敏的纳米级光电探测器，应用到光学开关、近场成像以及高分辨探测等领域9。(4)激光发射特性人们发现具有平滑端面的纳米线可以作为光学共振腔，在纳米尺寸发出连续的光。利用这些特性，可以将一维纳米功能材料作为激光发射器、纳米激光器等在纳米光子学和微分析方面得到应用3。(5) 光电导性和光学开关的特性在纳米级的器件中，开关对于
15、存储以及逻辑等方面的应用至关重要。近期的研究工作发现，可通过控制单个半导体纳米线的光电导性来得到高度灵敏的电子开关9。 2.3.2 磁性纳米材料磁性纳米材料的分类：物质的磁性来源于物质内部电子和核的磁性质。任何带电体的运动都必然在它周围产生磁场，磁性是所有物质的最普遍的属性之一，即自然界任何宏观物体都具有某种程度的磁性。根据物质的磁性，磁性纳米材料大致可分为:永磁(硬磁) 纳米材料、软磁纳米材料、半硬磁纳米材料、旋磁纳米材料、矩磁纳米材料和压磁纳米材料等3。根据其结构大小分为:纳米颗粒型，如一些磁记录介质、磁性液体、磁性药物及吸波材料等;纳米微晶型，如纳米微晶永磁材料、纳米微晶软磁材料等;纳米结构型，有人工纳米结构材料(薄膜、颗粒膜、多层膜、隧道膜) 和天然纳米结构材料(钙钛矿型化合物) 等。根据磁性材料的物相可分:固相磁性纳米材料和液相磁性纳米材料等。根据应用的角度，磁性纳米材料可分为:纳米微晶软磁材料、纳米微晶永磁材料、纳米磁记录材料、磁性液体、颗粒膜磁性材料、巨磁电阻材料等10。(1) 永磁纳米材料3对于永磁材料，要求磁性强，保持磁性的能力也强，而且磁性要稳定，不受或不易受外界环境条件的影响。即要求永
