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1、纳米材料的基本概念纳米材料的基本概念与性质与性质概念，性质与应用1n n一天，桑迪亚国家实验室科学家杰弗一天，桑迪亚国家实验室科学家杰弗 布伦尼克将布伦尼克将 氧化钽晶体插入扫描电子显微镜中，开始搜集图片，氧化钽晶体插入扫描电子显微镜中，开始搜集图片，他发现这台仪器并没有得到适当地清洁。幸运的是，他发现这台仪器并没有得到适当地清洁。幸运的是，一些小的聚苯乙烯珠子从上一次实验中遗留下来，一些小的聚苯乙烯珠子从上一次实验中遗留下来，粘在实验粘在实验 样本的一侧，形成了一幅令人难以置信样本的一侧，形成了一幅令人难以置信的图案，看上去仿佛是一个人向悬崖边奔跑。的图案，看上去仿佛是一个人向悬崖边奔跑。
2、2纳米纳米n n长度单位，纳米长度单位，纳米1010-9-9米。米。n n原子原子0.2-0.40.2-0.4nmnmn n病毒病毒 10-60 10-60nmnmn n燃烧烟雾燃烧烟雾 10-80 10-80nmnmn n颜料颗粒颜料颗粒 80-100 80-100nmnmn n沙漠灰尘沙漠灰尘 100 100nmnmn n可见光波数百纳米可见光波数百纳米n n一般细菌一般细菌 30-10,000 30-10,000nmnmn n红血球红血球6,0009,0006,0009,000nmnmn n头发丝头发丝10,00010,000nmnm1m=10-6m1mm=10-3m1 nm10-9m胶
3、体尺寸3尺度概念尺度概念http:/ nnm颗粒，空洞或者结构n n与胶体颗粒大小定义接近n n胶体为分散系，纳米材料不一定分散，有特殊胶体为分散系，纳米材料不一定分散，有特殊性能性能n n尺度小于可见光半波长n n与磁畴，激子玻尔半径等结构大小相当5基本概念基本概念n n纳米材料纳米材料 任何至少有一个维度的尺寸小于任何至少有一个维度的尺寸小于100100nmnm或或者由小于者由小于100100nmnm的基本单元组成的材料称为纳米材料。的基本单元组成的材料称为纳米材料。n n原子团簇原子团簇 包含几个到几百个原子，尺度小于包含几个到几百个原子，尺度小于1 1nmnm的的粒子粒子 n n纳米微
4、粒纳米微粒 一般尺寸一般尺寸1-1001-100nmnm。物质颗粒体积效应和表物质颗粒体积效应和表面效应两者之一显著变化的或者两者都显著出现的颗面效应两者之一显著变化的或者两者都显著出现的颗粒叫做纳米微粒。粒叫做纳米微粒。6n n纳米粒子薄膜纳米粒子薄膜 掺杂第二相纳米粒子的薄膜n n纳米固体纳米固体 纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的原子排列而获得的具有新原子结构或微结构性质的固体，又分为纳米晶体材料、纳米结构材料n n纳米复合材料纳米复合材料 纳米材料与纳米材料或者纳米材料与一般材料符合而成的材料7纳米材料分类纳米材料分类n n按组成金属半导体绝缘体n n按形态零维一维二维三维复合n
5、n复合方式复合方式n n0-0 0-0 不同纳米粒子混合不同纳米粒子混合n n0-3 0-3 纳米粒子掺入体材料纳米粒子掺入体材料n n0-2 0-2 纳米粒子掺入膜材料纳米粒子掺入膜材料n n1-3 1-3 纳米线纳米线/ /管掺入体材料管掺入体材料8人工纳米结构人工纳米结构1. 1.量子点量子点 零维零维2. 2.量子线量子线 一维一维3. 3.量子阱量子阱 二维二维n n制备方式n n电子束光刻电子束光刻n n转印，模板转印，模板n n自组织形成自组织形成生物中的纳米材料1.零维 蛋白质颗粒，磁性颗粒2.一维 DNA，细胞骨架3.二维 细胞膜4.复合材料 骨架，贝壳等分泌物9从上至下的纳
6、米从上至下的纳米制备方法制备方法MEMS (MicroElectroMechanical Systems) Devices10 -100 mm wideRed blood cellsPollen grain10从下至上的纳米制备方法从下至上的纳米制备方法11n n二氧化硅纳米丝具有令人大为诧异的习惯二氧化硅纳米丝具有令人大为诧异的习惯能自能自 行组成行组成精美的图画。香港中文大学物理学教授郝少康精美的图画。香港中文大学物理学教授郝少康(S.K. Hark)(S.K. Hark)在扫描电子显微镜下观看二氧化硅纳米丝时，一幅金色向在扫描电子显微镜下观看二氧化硅纳米丝时，一幅金色向日葵的画面呈现在他
7、的眼前。与植物不同，它们的日葵的画面呈现在他的眼前。与植物不同，它们的“ “肥料肥料” ”是镓和金催化剂，能让它们长到长度是镓和金催化剂，能让它们长到长度 只有几微米，同时只有几微米，同时直径保持在直径保持在1010纳米左右。郝少康教授给这幅获奖作品着色，纳米左右。郝少康教授给这幅获奖作品着色，令它们与真实的向日葵看上去更加相似。令它们与真实的向日葵看上去更加相似。 12对比对比蚀刻沉积13纳米粒子的基本性质纳米粒子的基本性质n n电子能级的不连续性 久保理论n n能级间距能级间距 尺寸越小，电子间能级缝隙越大，越尺寸越小，电子间能级缝隙越大，越不具备金属特性。不具备金属特性。n n量子电导效
8、应量子电导效应n n量子尺寸效应n n当粒径足够小时，有当粒径足够小时，有 k kB BT T ，金属电子连续能金属电子连续能级变为不连续能级级变为不连续能级n nk kB BT T代表了热扰动的大小代表了热扰动的大小14n小尺寸效应n n尺寸小于光波 金属对光的强吸收n n尺寸小于激子波尔半径 半导体的量子限域效应n n尺寸接近单磁畴临界尺寸 高矫顽力n n尺寸低于单磁畴临界尺寸 超顺磁性n n金属熔点变低15尺寸效应尺寸效应n n为什么大象的腿看起来很粗？n n为什么昆虫能举起几百倍的重物？n n为什么寒带的动物体型比较大？n n为什么钢丝可以当锯子用？n n直线声波n n光波的绕射n n
9、热的无规则效应16这幅图片看上去像是一块玻璃有污迹的窗户，但其这幅图片看上去像是一块玻璃有污迹的窗户，但其这幅图片看上去像是一块玻璃有污迹的窗户，但其这幅图片看上去像是一块玻璃有污迹的窗户，但其 实它是晶体顶部一层薄薄铁实它是晶体顶部一层薄薄铁实它是晶体顶部一层薄薄铁实它是晶体顶部一层薄薄铁薄膜的磁畴薄膜的磁畴薄膜的磁畴薄膜的磁畴(magnetic domain)(magnetic domain)。这里的晶体是由镁和镓砷酸盐制成的。意大利。这里的晶体是由镁和镓砷酸盐制成的。意大利。这里的晶体是由镁和镓砷酸盐制成的。意大利。这里的晶体是由镁和镓砷酸盐制成的。意大利ELETTRAELETTRA同步
10、辐射光源实验室研究人员索利曼同步辐射光源实验室研究人员索利曼同步辐射光源实验室研究人员索利曼同步辐射光源实验室研究人员索利曼 墨索奥尼采用墨索奥尼采用墨索奥尼采用墨索奥尼采用X X光线磁循环二色光线磁循环二色光线磁循环二色光线磁循环二色性技术，结合性技术，结合性技术，结合性技术，结合 光电子光电子光电子光电子发射显微镜方法，缔造了这个惊人画面。发射显微镜方法，缔造了这个惊人画面。发射显微镜方法，缔造了这个惊人画面。发射显微镜方法，缔造了这个惊人画面。 17CNT收音机收音机18n n表面效应n n比表面积比表面积 3 3d d/ /R R2 2 表面体积接近整体表面体积接近整体n n表面原子活
11、性大，不同于内部原子表面原子活性大，不同于内部原子n n其它物质在表面或者界面扩展快其它物质在表面或者界面扩展快 n n量子隧道效应n n磁化强度，磁通量磁化强度，磁通量n n电流电流19表面效应的应用表面效应的应用n n氢电池n n电极的巨大储氢能力电极的巨大储氢能力n n探测器n n吸收还原性气体，电阻变化吸收还原性气体，电阻变化n n水净化n n海水淡化海水淡化n n过滤脏水过滤脏水n n污染处理n nMIT:MIT:可重复利用吸收可重复利用吸收1010倍重量油污的纳米纸倍重量油污的纳米纸20纳米粒子的物理特性纳米粒子的物理特性n n形貌与结构 n n晶体结构的变化晶体结构的变化 在纳米
12、粒子情况下变为其他晶体结构在纳米粒子情况下变为其他晶体结构n n晶格尺寸的变化晶格尺寸的变化 变大或者变小（随制备方法不同而不变大或者变小（随制备方法不同而不同）同）n n 热学n n 电学n n 磁学n n 光学n n 力学21纳米粒子的热学性能纳米粒子的热学性能n n熔点，烧结温度，晶化温度降低 n n原因：界面原子的活性化，具有比体材料更高原因：界面原子的活性化，具有比体材料更高的平均能量的平均能量n n可以代替昂贵的银作导电浆料可以代替昂贵的银作导电浆料n n重新结晶重新结晶22纳米粒子的电学性能纳米粒子的电学性能n n金属粒子直径小于一定程度会变得不导电n n绝缘体粒子会变得导电，金
13、属-绝缘体复合材料会随金属含量增加而电阻增加n n会随环境变化而改变电导率n n随吸附气体改变电导率随吸附气体改变电导率 可以做气体探测器可以做气体探测器n n随磁场改变电导率随磁场改变电导率 磁头，巨磁阻效应磁头，巨磁阻效应23电流变液体电流变液体n n大量固体粉末掺入液体制成，如淀粉大量固体粉末掺入液体制成，如淀粉/ /玉米油玉米油n n随着电流的增加而在固体和液体间变换随着电流的增加而在固体和液体间变换n n可用于刹车，减震器等可用于刹车，减震器等24纳米粒子的磁学性能纳米粒子的磁学性能n n矫顽力（硬磁材料）n n晶粒晶粒 磁畴时矫顽力最大（小，大，小）磁畴时矫顽力最大（小，大，小）n
14、 n可以增加磁性纪录精度可以增加磁性纪录精度n n矫顽力与磁通量的两难（铁磁材料）矫顽力与磁通量的两难（铁磁材料）n n超顺磁性（软磁材料）n n具有尺寸效应，越小越明显具有尺寸效应，越小越明显n n可作为磁性液体，轴承密封可作为磁性液体，轴承密封25纳米粒子的光学性能纳米粒子的光学性能n n宽频带强吸收宽频带强吸收n n金属金属纳米粒子变成黑色纳米粒子变成黑色n n半导体半导体纳米粒子的红外宽带吸收纳米粒子的红外宽带吸收 n n吸收蓝移吸收蓝移n n能隙变宽能隙变宽n n量子限域效应量子限域效应n n粒径小于激子玻尔直径粒径小于激子玻尔直径n n激子吸收增强并且蓝移激子吸收增强并且蓝移26受
15、激发光受激发光ZnS覆盖的GdSe受紫外线激发后发出的10种不同光27纳米微粒发光纳米微粒发光n n发光机制n n光致发光：光致发光：n n荧光荧光 吸收光后立刻发光吸收光后立刻发光n n磷光磷光 吸收光后过一阵子才发光吸收光后过一阵子才发光n n电子与空穴复合电子与空穴复合 二极管二极管n n直接带隙直接带隙 间接带隙间接带隙n n量子限域效应量子限域效应 在激子半径左右可增加发光强度在激子半径左右可增加发光强度n n不发光的硅在纳米粒子状态下会发光不发光的硅在纳米粒子状态下会发光28纳米材料的力学性质纳米材料的力学性质n n陶瓷材料的韧性n n陶瓷材料具有高绝缘，高强度，耐腐蚀等优异陶瓷材
16、料具有高绝缘，高强度，耐腐蚀等优异特性特性n n陶瓷的缺点：脆性陶瓷的缺点：脆性n n克服方法：克服方法： 上釉上釉n n纳米陶瓷可以拥有韧性和延展性纳米陶瓷可以拥有韧性和延展性n n可以做切削加工可以做切削加工29润滑和抛光润滑和抛光n n纳米粒子对在机油中有重要作用n n1 1：研磨抛光作用：研磨抛光作用n n2 2：表面的填补作用：表面的填补作用n n3 3：滚珠轴承作用（类似石墨）：滚珠轴承作用（类似石墨）n n纳米粒子表面的不规则性n n荷叶的防水功能荷叶的防水功能30瑞利散射瑞利散射n n粒径小于光波时，发生衍射 散射乳光n n胶体特有的散射n n粒子越小，散射越小粒子越小，散射越
17、小n n波长越长，散射越多波长越长，散射越多n n光强正比于折射率差异光强正比于折射率差异n n光强正比于单位粒子数光强正比于单位粒子数31纳米技术的危害纳米技术的危害n n纳米生产体系会破坏当前的经济体系n n使得破坏力巨大的工具随手可得n n武器（更隐蔽，更大威力）武器（更隐蔽，更大威力）n n恐怖袭击（破坏桥梁，污染饮水恐怖袭击（破坏桥梁，污染饮水/ /食物食物/ /原料）原料）n n灰色黏质（无限复制的纳米机械）n n污染环境，破坏人体n n可轻易侵入肺部、肠道，血脑屏障可轻易侵入肺部、肠道，血脑屏障32纳米粒子的危害纳米粒子的危害n n可能对肺部有伤害n n小白鼠实验证实对肺部有强烈伤害小白鼠实验证实对肺部有强烈伤害n n可长期停留于人体体内，不易排出可长期停留于人体体内，不易排出n n其他动物实验显示伤害比小白鼠体内小很多其他动物实验显示伤害比小白鼠体内小很多33
