纳米材料的结构与性质.ppt

第二章纳米材料的结构与性能2.1纳米材料的分类及特性2.2纳米微粒的物理特性2.3纳米碳材料2.1纳米材料的分类及特性一、纳米材料的分类按结构(维度）分为4类：（1）零维纳米材料：空间三个维度上尺寸均为纳米尺度—纳米颗粒、原子团簇等。（2）一维纳米材料：在空间二个维度上尺寸为纳米尺度—纳米丝、纳米棒、纳米管等。（3）二维纳米材料：只在空间一个维度上尺寸为纳米尺度—纳米薄膜、多层薄膜等。（4）三维纳米材料：由纳米材料基本单元组成的块体按组成分类纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料按应用分类纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料按材料物性分类纳米半导体材料、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料二、纳米材料的特性久保及其合作者提出相邻电子能级间隔和颗粒直径的关系，如下图所示

在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。一、纳米微粒的结构与形貌纳米微粒一般为球形或类球形。往往呈现多面体或截角多面体。其他的形状可以与不同合成方法和其晶体结构有关。二、纳米微粒的物理特性(1)熔点、开始烧结温度和晶化比常规粉体的低得多。例如：大块铅的熔点327℃，20nm纳米Pb39℃.纳米铜(40nm)的熔点，由1053℃(体相)变为750℃。块状金熔点1064℃，10nm时1037℃；2nm时，327℃；银块熔点，960℃；纳米银(2-3nm)，低于100℃。用于低温焊接(焊接塑料部件)。Au微粒的粒径与熔点的关系，如图所示。图中看出，超细颗粒的熔点随着粒径的减小而下降。当粒径小于10nm时，熔点急剧下降。其中3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点的一半。熔点下降的原因：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大(为原子运动提供动力)，纳米粒子熔化时所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。超细颗粒的熔点下降，对粉末冶金工业具有一定吸引力。（2）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成块，温度接近常规材料时的最低加热温度。由纳米陶瓷研制结果观察到：纳米级ZrO2陶瓷的烧结温度比常规的微米级ZrO2陶瓷烧结温度降低400℃。可以进行低温陶瓷烧结。烧结温度降低原因：纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结过程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，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的埋没。因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。（3）非晶向晶态的转化温度降低非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体。传统非晶氮化硅在1793K开始晶化成α相。纳米非晶氮化硅微粒在1673K加热4h全部转变成α相。超顺磁状态的起因：在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。例如，粒径为85nm的纳米镍Ni微粒，矫顽力很高，而当粒径小于15nm时，其矫顽力Hc→0，即进入了超顺磁状态。粒径为65nm的纳米Ni微粒。矫顽力很高，χ服从居里—外斯定律。（这与传统材料不一致，说明粒径降低在一定范围内可以提高矫顽力，阻止铁磁体向顺磁体转变）；而粒径小于15nm的Ni微粒，矫顽力Hc—0，如图这说明它们进入了超顺磁状态，磁化率χ不再服从居里—外斯定律。如下图3、纳米材料的光学特性①宽频带强吸收当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。这就是纳米材料的强吸收率、低反射率。例如，铂金纳米粒子的反射率为1%。纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。②蓝移现象与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。例如：纳米SiC颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率分别是814cm-1和794cm-1。蓝移了20cm-1。纳米Si3N4颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率分别是949cm-1和935cm-1，蓝移了14cm-1。由图看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。纳米微粒吸收带“蓝移