材料化学课件-纳米材料.pptVIP

6.3.2 常用仪器 1．激光检测原子力显微镜 2．低温扫描隧道显微镜 3．真空扫描隧道显微镜 4．弹道电子发射显微镜(BEEM) 直接对表面下界面电子性质进行谱学研究，并能以高分辨率成像的实验技术—BEEM。 6.3.3 检测技术的应用研究 扫描探针显微技术(SPM)所具有的共同特点是都有一个很细的针尖用作探针：观察、操纵。 1. STM技术的应用研究 扫描探测显微镜不仅是人们认识纳米世界的工具，还可以用来制造纳米结构，改造世界。例如，借助它能够通过一个超级尖端来施加电压，准确地移动原子或分子，把不同的分子彼此连接起来(这些分子在自然状态下本来可能永远也不能相结合)，构筑出全新的物质。 在超高真空中，用STM技术移动Si(111)面上的原子形成“中国”字样 原子操作过程的STM像 由于STM对工作环境的要求相当宽松，可以在大气、真空、溶液、低温、高温等各种环境下工作，这使得STM技术可以广泛地应用于表面化学研究，例如，可以原位研究表面上发生的各种化学反应；研究各种表面吸咐和表面催化问题；直接在溶液中考察电化学沉积和电化学腐蚀过程等。 2. AFM技术的应用研究 AFM是依靠尖端曲率半径很小的微悬臂针尖接触在表面上进行成像，所得到的图像是针尖与样品真实形貌卷积后的结果，如图6.3-7所示，实线代表样品的真实形貌，虚线就是针尖扫描所得到的表观图像。利用AFM针尖与样品之间的相互作用力可以搬动样品表面的原子分子，实现原子分子操纵，而且可以利用此作用力改变样品的结构，从而对其性质进行调制。目前AFM对于碳纳米管和生物分子的操纵研究较多。 无数的生命过程，如DNA复制、蛋白质合成、信息传递等都是由分子间力控制的，而AFM对微小相互作用力的灵敏度使其成为探测这些相互作用的有效工具。单分子力谱和高分辨成像的结合使得分析生物分子的分子内、分子间作用力成为可能。 很多科学家利用功能化AFM针尖来研究单个生物分子的力学性质。 6.4 纳米材料的应用 6.4.1 纳米材料在高科技中的地位 纳米电子学、量子电子学和分子电子学现在还处于初级研究阶段，随着纳米科技的发展，高度集成化的要求，元件和材料的微小化，在集成过程中出现了许多传统理论无法解释的科学问题，传统的集成技术由于不能适应新的需求而逐渐被淘汰，在这种情况下以纳米电子学为指导工作的新的器件相继问世，速度之快出乎人们的预料。 纳米材料 6.1 纳米科技及纳米材料应用进展 21世纪，信息科学技术和生命科学技术是科学技术发展的主流，它们的发展将使这些科学技术逐步走向更好、更快、更强和更加对环境友好的境地。一种非常普遍的观点认为，信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。 扫描隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到这7个相对独立的分支领域中。 6.1.2 纳米材料的种类 纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。 纳米组装体系又可以分为纳米阵列体系、介孔组装体系和薄膜镶嵌体系。 6.1.3 纳米材料的特异性能 纳米结构材料的特性是由所组成微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。 纳米微粒是由有限数量的原子或分子组成的、保持原来物质的化学性质并处于亚稳状态的原子团或分子团。当物质的线度减小时，其表面原子数的相对比例增大，使单原子的表面能迅速增大。进入纳米尺度时，此种形态的变化反馈到物质结构和性能上，就会显示出奇异的效应，这里介绍几种最基本的物理效应。 1. 小尺寸效应 纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。人们把纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。 金的熔点1064oC，10nm 1037oC， 2nm 327oC 银的熔点690oC，超细银粉100oC 2. 表面效应 3. 宏观量子隧道效应 6.2 纳米材料的制备 纳米材料的形态和状态取决于纳米材料的制备方法，新材料制备工艺和设备的设计、研究和控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。 6.2.1 纳米粉体的合成 纳米-微米复合材料可细分为晶内型纳米复合材料和晶界型纳米复合材料两大类。但是实际制备中往往二者兼而有之，很难获得单纯一种纳米相处于晶内或晶界的纳米-微米复合材料，详见结构示意图6.2-1。 6.2.2 纳米复合材料的制备 ( ) 6.2.3 碳纳米管的制备 日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家Sumio Iijima博