《功能材料学概论》纳米材料.ppt

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1、纳米材料,第一节 纳米材料和纳米技术简介第二节 纳米粉体材料第三节 纳米块体材料,第一节 纳米材料和纳米技术简介纳米材料和纳米技术的兴起与发展纳米材料的分类纳米材料的基本性质第二节 纳米粉体材料第三节 纳米块体材料,1.纳米材料和纳米技术的兴起与发展,“There is a plenty of room at the bottom”,Richard P.Feynman,.Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?Lets see what would

2、 be involved.The head of a pin is a sixteenth of an inch across.If you magnify it by 25,000 diameters,the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encyclopaedia Brittanica.Therefore,all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaed

3、ia by 25,000 times.Is that possible?The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch-that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in the Encyclopaedia.This,when you demagnify it by 25,000 times,is still 80 angstroms in diameter-32 atoms across,in

4、 an ordinary metal.In other words,one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms.,Karlsruhe研究中心主席纳米技术研究所首任所长,H.Gleiter,20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GBinning和HRohrer发明了扫描隧道显微镜。,STM：直接观察到物质表面的原子结构 基本原理：量子隧道效应用一个极细的针尖接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(1nm)，若在针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流STM具有原子级的

5、空间分辨率和广泛的适用性，推动了纳米科技的发展。,STM针尖,硅表面,利用探针针尖与表面之间的各种相互作用，可以用来分析高分辨率成像。1986年Binning等人发明了原子力显微镜（AFM）STM 与ATM共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（SPM）的两大主体技术。,1990年IBM在Ni表面用35个氙原子排出“IBM”,C60 铜表面,STM和AFM：观测到原子在物质表面的排列状态，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值G.Binning和H.Rohrer与电子显微镜的创制者E.Ruska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。,Ernst Ruska,Ge

6、rd Binnig,Heinrich Rohrer,for his fundamental work in electron optics,and for the design of the first electron microscope,for their design of the scanning tunneling microscope”,IBM Zurich Research Laboratory Rschlikon,Switzerland,.Just imagine,materials with 10 times the strength of steel and only a

7、 fraction of the weight;shrinking all the information at the Library of Congress into a device the size of a sugar cube;detecting cancerous tumors that are only a few cells in size.,纳米材料和纳米技术,纳米材料：由尺寸在1100nm间的粒子或晶粒组成的材料。处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统 将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，将显示出许

8、多奇异的特性，即光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同,纳米技术是90年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在1-100nm尺度内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。纳米技术主要包括为微型电动机械系统(minisize electromotion mechanism system，MEMS)；纳米电子学和纳米生物药物学等。,纳米技术：,第一节 纳米材料和纳米技术简介纳米材料和纳米技术的兴起与发展纳米材料的分类纳米材料的基本性质第二节 纳米粉体材料第三节

9、纳米块体材料,2.纳米材料的分类：纳米微粒纳米固体纳米自组装体系,a.纳米微粒（纳米粉体）纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子簇(cluster)，小于通常的微粒。通常，把仅含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒于称为“簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。,各种颗粒的粒径范围,纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体与普通材料相比，纳米材料的界面体积显著提高,b.纳米固体,纳米固体的分类：,按几何形态分：纳米纤维材料纳米薄膜材料纳米块体材料,按组成相数分：纳米相材料纳米复合材料,纳米固体分类示意图,c.纳米组装体系,纳米组装体系研究的特点要强调按人们的意愿设计、组装

10、、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。,第一节 纳米材料和纳米技术简介纳米材料和纳米技术的兴起与发展纳米材料的分类纳米材料的基本性质第二节 纳米粉体材料第三节 纳米块体材料,3.纳米材料的基本性质,小尺寸效应,表面与界面效应,量子尺寸效应,随着颗粒尺寸的量变，当纳米微粒的尺寸与光波的波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力学等特性均会出现质变。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。,小尺寸效应,对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光

11、学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质,纳米微粒尺寸小、表面大，位于表面的原子占相当大的比例。下图表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系。,表面与界面效应,表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系,当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象称为量子尺寸效应。能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的。,量子尺寸效应,日本科学家Kubo提出过能级间距的计算方法，并给出著名公式,为能级间距，EF为费米能级；N为总电子数。

12、,20世纪50年代重视微米技术的国家，现在都去得了很大的发展，同样，现在重视纳米科技的国家，将在21世纪获得高速发展。,一.纳米粉体材料的特性二.纳米粉体材料 纳米碳管三.纳米氧化物粉体材料的应用四.纳米粉体材料的表征五.纳米粉体材料的制备,第二节 纳米粉体材料,热学特性 熔点降低 烧结温度降低 光学特性 宽频带强吸收 红移和蓝移,一 纳米粉体的特性,热学特性：,Au的熔点：1336K；2nm的金粒子约在327K开始熔化Ag的熔点：1233K，银纳米粒子在低于熔点373K熔化Pb的熔点：600K，20nm的铅粒子约在312K开始熔化Cu的熔点：1326K，40nm的铜粒子约在1023K开始熔化

13、。,a.熔点降低,Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系：,纳米微粒的熔点比常规粉体低得多。这是由于纳米微粒的尺寸小，表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料。纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多。这就使得纳米微粒熔点急剧下降。,b.烧结温度降低,所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合，密度接近于材料的理论密度的温度。,常规A12O3烧结温度在2073-2173K，在一定条件下纳米Al2O3可在1423K-1773K烧结，致密度可达99.7。常规Si3N4烧结温度高于2273K，纳米氮化硅烧结温度降低400

14、-500K。,TiO2韦氏硬度随烧结温度的变化,纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的。,2.纳米材料的光学性质,纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差不多，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于表面的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同样物质的宏观大块物体不具备的新的光学持性,宽频带强吸收 大块金属不同颜色的光泽：对可见光范围各种颜色(波

15、长)光的反射和吸收能力不同。各种金属纳米微粒：黑色 对可见光的反射率极低，对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。,（2）纳米氮化硅、SiC及Al2O3等纳米粒子对红外有一个宽频带强吸收谱。,尺寸分布效应。通常认为纳米材料的粒径有一定的分布，不同颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度也不同。这就导致纳米材料的键长有一个分布，认为这是引起红外吸收宽化的原因之一。,b.界面效应。界面原子的比例非常高，导致不饱和键，缺陷非常多。界面原子除了与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽。与大块材料不同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光的作用下

16、对红外光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。分析具体体系要综合考虑各种因素，不能一概而论。纳米材料红外吸收的微观机制研究还有待深入。,一.纳米粉体材料的特性二.纳米粉体材料碳纳米管三.纳米氧化物粉体材料的应用四.纳米粉体材料的表征五.纳米粉体材料的制备,第二节 纳米粉体材料,二、纳米粉体材料-碳纳米管,1991年 日本NEC公司的S.Iijima教授在制备C60后对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现了直径4-30nm，长达微米量级的管状物，这就是Carbonnanotubes，(CNTs）,1.单壁碳纳米管（Single walled carbon nanotube，SWNT）具有单层碳管结构，

17、直径通常少于2nm，最小的直径目前为0.4nm，长度可达数微米,2.多壁纳米碳管：多于一层的纳米碳管则称为多壁纳米碳管(Multi-walled carbon nanotube,MWNT)多壁碳纳米管直径：10-30nm或更粗，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米,纳米碳管的制备方法,石墨电弧法实验装置图,独特的电学性能 与纳米碳管的几何尺寸和管的螺旋度有关，随参数的变化，可以显示出导体，半导体，绝缘体的性能。0.65K 超导电性,纳米碳管的性能,力学性能 管直径为1.0nm的单层壁纳米碳管，其抗拉强度约800GPa 优异的抗冲击性能,将纳米碳管做成太空升降机的缆绳，由于它的强度高、重量轻，即使是从太空下垂到地面，它也完全可以承受自身的重量而不会断开，它是目前唯一可作为太空云梯的理想材料。,高强度，重量轻,用于制造高强度纳米碳管缆绳，只需几百微米，就可代替钢铁用于跨海大桥的拉索,作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。,优异的抗冲击性能,化学性能 充填在碳管内的金属铁在80、85湿度的条件下，经7天未氧化；纳米碳管具有很高的比表面，可用作催化剂载体，,