无机纳米材料.ppt

无机纳米材料 1基本概念 2纳米氧化物的制备 3纳米复合氧化物的制备 4其他无机纳米材料 第一章 纳米材料的基本概念 定义及结构特点： 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料的单晶体或多晶体，由于晶粒细小，使其晶界上的原子数多于晶粒内部，产生高浓度的晶界，使纳米材料有许多不同于一半粗晶材料的性能，如强度和硬度增大，低密度，高电阻，低热导率 纳米材料结构范围（零维-三维 ） 纳米材料的特性 表面效应 体积效应 量子尺寸效应(小尺寸效应） 宏观量子隧道效应 表面效应 固体表面原子和内部原子多处环境不同，当粒子直径比原子直径大时，表面能可以忽略，当粒子直径逐渐接近原子直径时，表面原子的数目及作用不能忽略，这时粒子的比表面积、表面能、表面结合能都发生很大的变化。把由此引起的种种特殊效应称为表面效应。 粒子小，比表面积急遽变化增大，表面原子数增多，表面能高，原子配位不足，使得表面原子具有高活性，不稳定，易结合。 体积效应 纳米材料由有限个原子或分子组成，改变了由无数个原子或分子组成的集体属性，物质本身性质也发生了变化，这种由体积改变引起的效应称为体积效应。 如：金属纳米微粒与金属块体材料的性质不同。 量子尺寸效应（小尺寸效应） 粒子尺寸降低到某值时，金属费米能级附近的电子能级由连续变为离散。 粒子尺寸的量变，在一定条件下会引起性质的改变。粒子尺寸变小而引起宏观物理性质的改变成为小尺寸效应。 例如粗晶下的难以发光的间隙半导体材料Si、Ge等，粒径减小到纳米级时表现出明显的发光现象，粒径越小光强越强. 细晶强化效应 材料硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，导电性改变。 宏观量子隧道效应 宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。 隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。 上述效应使得纳米粒子具有与粗晶不同的性质。 例如：金属为导体，但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现出绝缘性。 又如：金属大多数情况下由于光反射而呈现出各种美丽的特征颜色，但金属纳米粒子的光反射能力显著下降，通常可低于1%， 纳米材料的性能 力学性能 电学性能 磁学性能 热学性能 光学性能 化学性能 力学性能 纳米结构材料力学性质的重要因素：晶界结构、晶界滑移、位错运动。 纳米材料晶界原子间隙的增加，使其杨氏模量减小，硬度提高。(杨氏模量(Youngs modulus)是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量,在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量 ) 晶粒减小到纳米级，材料的强度和硬度比粗晶材料提高4-5倍。（Cu样品硬度） 电学性能 晶界上原子体积分数增加，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料。 纳米材料在磁场中材料电阻减小的现象十分明显。磁场中粗晶电阻仅下降1%-2%,纳米材料可达50%-80%，这个性质很重要。 磁学性质 纳米粒子尺寸小到一定临界值时，进入超顺磁状态。 从单畴颗粒集合体看，不同颗粒的磁矩取向每时每刻都在变换方向，这种磁性的特点和正常顺磁性的情况很相似，但是也不尽相同。因为在正常顺磁体中，每个原子或离子的磁矩只有几个玻尔磁子，但是对于直径5nm的特定球形颗粒集合体而言，每个颗粒可能包含了5000个以上的原子，颗粒的总磁矩有可能大于10000个玻尔磁子。所以把单畴颗粒集合体的这种磁性称为超顺磁性 纳米材料随着晶粒尺寸的减小，样品的磁有序状态将发生改变。粗晶状态下为铁磁性的的材料，当颗粒尺寸小于某一临界值时，矫顽力趋向于0，转变为超顺磁状态。 这是由于纳米材料中晶粒取向是无规则的，因此，各个晶粒的磁距也是混乱排列的，当小晶粒的磁各向异性能减小到与热运动能基本相等时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向而作无规律变化，结果导致超顺磁性的出现。 磁学性质 磁热性质 在非磁或弱磁基体中包含很小的磁微粒。当其处于磁场中，微粒的磁旋方向与磁场相匹配，增加了磁有序性，降低了系统的熵，若过程绝热，样品温度将升高。 热学性质 纳米材料中，界面原子排列混乱，原子密度低，原子间耦合较弱，导致纳米材料的比热比粗晶大。 纳米微粒的熔点、烧结温度、晶化温度比常规粉体低得多。（纳米材料的表面性质决定） 光学性质 宽频带强吸收（纳米微粒几乎都呈现黑色） 蓝移：量子尺寸效应 表面效应 红移：比表面大，界面存在大量缺陷 化学性质 化学活性高 纳米材料比表面积大，界面原子数多，界面原子区域原子扩散系数高，原子配位不饱和性，使得