[材料科学]纳米材料.ppt

§1.1 基本概念和内涵 人类对客观世界的认识分为两个层次： 一是宏观领域，二是微观领域。 宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体； 微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限小的领域。 基本粒子：电子、质子、中子等。 介观领域： 在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女地”，三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的崭新的物理性能。 1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。 这个领域包括了从微米(1-100μ m)、亚微米，纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。 §1.1 基本概念和内涵 从广义上来说，凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系。 纳米体系和团簇从这种介观范围独立出来，形成一个单独的领域(狭义的介观领域)。 一、基本概念 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1 nm=10(-9) m=10 埃。 头发直径：50-100 ?m, 1 nm相当于头发的1/50000。如图 氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。 §1.1 基本概念和内涵 2. 纳米科技(Nano-ST) （1）纳米技术：20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。 §1.1 基本概念和内涵 （2） 纳米科技的主要研究内容 创造和制备优异性能的纳米材料、 制备各种纳米器件和装置、 探测和分析纳米区域的性质和现象。 (基础，目标，前提) 1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科 （1）纳米电子学、 （2）纳米物理学、 （3）纳米化学、 （4）纳米生物学、 （5）纳米加工学、 （6）纳米计量学(定位、测长等)。 其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。 §1.1 基本概念和内涵 3. 纳米材料(Nanomaterials) (1)纳米材料的定义: 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。 即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 §1.1 基本概念和内涵 纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒； 其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性。 量子尺寸效应 §1.1 基本概念和内涵 （2） 纳米材料与传统材料的主要差别： 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。 比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。尺寸 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象。 比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。性能 §1.1 基本概念和内涵 （3）目前该领域的主要研究内容： A 制备纳米尺寸范围材料的相关技术 液相法：如沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、聚合法、化学镀法。 气相法：如蒸发法、电弧法、化学气相沉积法、微弧氧化法。 B 分析、观察、检测纳米体系物质的相关技术 如AFM，STM，XRD，SEM，TEM，激光粒度仪，比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等)，紫外可见光吸收光谱，荧光光谱，热分析，磁性仪等。 §1.1 基本概念和内涵 C 纳米体系物质的物理性能 如小尺寸效应，隧道效应，表面效应，量子尺寸效应，光、电、热、磁效应等。 D 纳米体系物质的化学性能 纳米金属粒子、半导体粒子等, 如化学活性、催化性能、稳定性、生物活性等。 E 纳米体系物质的应用 如Nano-Pd/Al2O3：CO助燃剂； Nano-TiO2：抗菌，光催化，自清洁；碳纤维：吸波，聚苯胺：化学传感器；V2O5：锂电池正极材料等。 §1.1 基本概念和内涵 4. 纳米器件 (1) 所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。 纳米科技的最终目的是以原子分子为起点, 去制造具有特殊功能的产品。 因此, 纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。----微米时代(微米技术) §1.1 基本概念和内涵 (2) 纳米技术与微电子技术的主要区别是： 纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现