表面界面课报告.ppt
纳米材料的表面界面研究,沙军威 王琰 吴文天,目 录,XXXXXX,4,基础知识简介,1,石墨烯材料,2,XXXXXX,3,基础知识简介,纳米材料：是指在三维空间中至少有一个维度处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。按照维数，可分为：零维：纳米颗粒、原子团簇等；一维：纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维：超薄膜、多层膜、超晶格等；三维：纳米块体。,纳米材料基本理论,1.电子能级的不连续性久保理论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6.库仑堵塞效应与量子隧穿,表面效应,纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。并且随着颗粒粒径的减小，表面原子数迅速增加,由于粒子的表面能和表面张力随粒径的减小而增加，纳米微粒的比表面积大以及由于表面原子的最近邻数低于体内而导致非键电子对的排斥力降低，必然引起颗粒内部特别是表面层晶格的畸变，原子在外力作用下，很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将与传统的大颗粒材料显著不同,由于表面原子数增加，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合,金属纳米粒子空气中自燃,化学惰性的金属铂制备成纳米微粒（铂黑）后成为了活性极好的催化剂,纳米微粒的吸附和团聚,吸附：相接触的不同相之间产生的结合现象。吸附可以分为物理吸附（范德瓦耳斯力等物理力结合）和化学吸附（化学键强结合）。团聚：悬浮在溶液中的微粒普遍收到范德瓦耳斯力作用很容易发生团聚，而由于吸附在小颗粒表面形成的具有一定电位梯度的双电层又有克服范德瓦耳斯力阻止颗粒团聚的作用。因此，悬浮液中是否发生团聚主要由这两个因素决定：范德瓦耳斯力的吸附作用和双电层之间的排斥作用的大小关系。纳米微粒的分散：（1）加入反絮凝剂形成双电层。例如：纳米氧化物SiO2，Al2O3和TiO2等在水中的pH高低不同（带正电或负电），可以选用Na+，NH4+或Cl-，NO3-异电离子作为反絮凝剂，达到分散的目的。（2）加表（界）面活性剂包裹微粒。例如：用油酸包裹Fe3O4防止磁性纳米颗粒团聚，常用还有十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠等。,纳米微粒的表面修饰,表面修饰的目的：1、改善或改变纳米粒子的分散性；2、提高微粒表面活性；3、使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能；4、改善纳米粒子与其他物质之间的相容性。,纳米微粒表面物理修饰,1、表面活性剂改善分散性；2、表面沉积法：将一种物质沉积到纳米微粒表面，形成与颗粒表面无化学结合的异质包覆层。例如：将纳米TiO2粒子分散到水中，加热至60，用浓硫酸调节pH（1.52.0），同时加入铝酸钠水溶液，结果形成了Al2O3包覆TiO2纳米颗粒。例如：带有TiO2包覆层的ZnFeO3纳米粒子的光催化效率大大提高；石墨层包覆的Fe3O4的生物相容性也会有所改善等。,化学修饰,1、偶联剂法：无机纳米粒子与有机物进行复合时，表面修饰十分重要。通过偶联剂改善无机粒子与有机物的结合力。如：硅烷偶联剂Y-R-Si（OR）32、酯化反应法：金属氧化物与醇的反应。利用酯化反应对纳米微粒表面修饰改性最重要的是使原来亲水疏油的表面变成亲油疏水表面。3、表面接枝改性法：将高分子连接到无机纳米粒子表面的方法。,纳米固体的结构特点和界面模型,用透射电镜、XRD、正电子湮没及穆斯堡尔谱对纳米微晶的结构研究表明，纳米微晶可以分为两种组元（i）晶粒组元，该组元中所有原子都在晶粒内的格点上；（ii）界面组元，所有原子都位于晶粒之间的界面上。纳米非晶固体或准晶固体是由非晶或准晶组元与界面组元构成。晶粒、非晶和准晶组元统称为颗粒组元。,纳米固体界面的结构模型,1、类气态模型（Gleiter等人，1987）纳米微晶界面内原子排列既没有长程序，又没有短程序，是一种类气态的，无序程度很高的结构。由于近年来的研究结果与此模型都有出入，因此这一模型自1990年以后就不再被引用。2、有序模型 认为纳米材料的界面原子排列是有序的。3、结构特征分布模型 基本思想是纳米结构材料的界面并不是具有单一的同样的结构，界面结构是多种多样的。在庞大比例的界面内由于在能量、缺陷、相邻晶粒取向以及杂质偏聚上的差别，使得纳米材料中的界面存在一个结构上的分布，它们都处于无序到有序的中间状态。,几种典型纳米材料简介（一）石墨烯（Graphene）,石墨烯,2010年诺贝尔物理学奖,石墨烯：一个原子厚的单层石墨层，具有二维结构的平面，碳原子呈SP2杂化的六元环排列。一般分为单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯（一般不多于10层）。具有优良的机械、电学、热传导性能。*带隙为零！制备方法：CVD法、微机械剥离法等。,单层石墨烯的厚度非常薄，只有一个碳原子厚，约为0.34nm。但强度却与金刚石相当，非常坚硬。瑞典皇家科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）在发表2010年物理学奖时曾这样比喻其强度，“利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4kg的兔子”。还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车。,*有效质量：指连接运动量与能量的方程式2阶微分时的系数。有效质量为零时，载流子就会像“光”一样快速运动。同时有利于提高施加电压时的响应速度。而相对于磁场的“回旋（Cyclotron)重量”则不会为零。*量子霍尔效应：对电子二维分布的层（二维电子系统）施加强磁场时，电子轨道及能量水平所取的值不相关（量子化）的现象。一般只能在极低温度环境下观测到这种现象。常被用作半导体品质较高的证据。*无散射传输：又称弹道传输（ballistic transport）。会在材料中的载流子平均自由行程长度大于材料的尺寸，而且载流子处于相干状态时发生。会失去材料本身的电阻，只会因用来施加电压的电极能带构造而产生电阻（量子化电阻）。与超电导极为不同的是，不会发生阻断外部磁场的现象（迈斯纳效应）。,石墨烯还具备其他比较对象所缺乏的多项独特性质。以单层石墨烯为例，其电子等载流子的有效质量*为零，而且可在室温下显示出量子霍尔效应*。还会发生电阻值固定不会随距离变化的“无散射传输”*现象。进行石墨烯理论研究的物质材料研究机构国际纳米结构研究基地的独立研究员若林克法指出，石墨烯发生的名为“克莱因穿隧（Klein Tunneling）”*的通道效应有望使这种材料比其他材料更易发生无散射传输现象。尽管产生克莱因穿隧效应时，因施加电压等原因材料中会存在能量上的障碍，但载流子可在全然不会反射及衰减的情况下越过能量障碍（图5）注2）。*克莱因穿隧（Klein Tunneling）：遵循Dirac方程式运动的电子在某种条件下越过能障的现象。1929年由奧斯卡克莱因（Oskar Klein）发现。又称为克莱因佯谬（Klein Paradox）。,Thank You!,
