金屬納米材料的性能與制備方法-

1、談?wù)勀銓Σ牧霞捌渲匾缘恼J識。 什么是納米材料？納米材料的兩個必備條件？請說出納米材料的分類依據(jù)并舉例0可一二三四 胃 題題題題8 問問問問第三章納米材料的性能及制備方法問題一：談?wù)勀銓Σ牧霞捌渲匾缘恼J識。材料的發(fā)展歷史：陶瓷：500萬年前；金屬:公元前3000年出現(xiàn)了青銅器（銅一錫合金）； 塑料：19世紀前半葉：新型陶瓷材料:1940年開始出現(xiàn)，區(qū)別于傳統(tǒng)陶瓷。問題二：什么是納米材料? :包括原子簇、納米顆粒；納米線、納米管; 納米薄膜和納米固體在內(nèi)的材料總稱。問題三：納米材料的兩個必備條件?和是確定納米材料的兩個必備條件。問題請說出納米材料的分類依據(jù)并舉例請說出納米材料的分類依據(jù)并舉例(

2、2)按化學(xué)組成及其特性：(3)按材料物性納米金屬I納米陶瓷Y納米玻璃o；納米高分子 、納米復(fù)合材料。(4)按其應(yīng)用：納米半導(dǎo)休納米磁性材料5納米光學(xué)材料 納米超導(dǎo)材料匸納米熱電材料等(1)按結(jié)構(gòu)的維數(shù)分：廠冬維結(jié)構(gòu)材料(OD):納米顆粒、原子團簇； 一維結(jié)構(gòu)材料(ID):納米絲、納米棒、納米管;二維結(jié)構(gòu)材料(2D)：超薄膜、多層膜、超晶格;三維結(jié)構(gòu)材料(3D):納米塊體材料。納米電子材料納米光電了材料 丫納米牛.物醫(yī)用材料納米敏感材料 切米儲能材料等*研究的幾個層次:零維調(diào)制（原子團簇和納米微粒）； 一維調(diào)制（納米管、絲、棒）； 二維調(diào)制（納米多層膜）； 三維調(diào)制（納米體相材料）。一般地，材料

3、所具有的各種物理化學(xué)性質(zhì)和使用性能. 主要由材料的化學(xué)組成和顯 微結(jié)構(gòu)決定。材料的結(jié)構(gòu) （Structure）表明材料中的物質(zhì)成分的排列科運動方式:1、原子結(jié)構(gòu)2、分子結(jié)構(gòu)3、晶體結(jié)構(gòu)4、顯微結(jié)構(gòu)5、介觀結(jié)構(gòu)i6、宏觀結(jié)構(gòu)3.1納米結(jié)構(gòu)單元3.2納米粒子的性質(zhì)3.3納米粒子的制備方法3.4其它合成方法3.1納米結(jié)構(gòu)單元10 3.1.1 團簇0 3.1.2納米微粒 3.1.3人造原子3.1.3納米管、納米棒、納米絲和納米線3.1.1團簇一類新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物種，指粒徑小于或等于lnm 的、由幾個至幾百個原子的聚集體?？煞譃椋簭S一元原子團簇Fen,碳簇,Nan,Nin等 了二兀原子團簇CllnSm,

4、CnHm籌廠多元原子團簇Vn(C6H6)m 等”原子簇化合物 團簇與氏它分子以配位鍵形成的化合物團簇的獨特性質(zhì):表面/界面效應(yīng)辛幻數(shù)效應(yīng)學(xué)原了團尺寸小于臨界值時的“庫侖爆炸” 原子團逸出功的振蕩行為團簇物理主要研究內(nèi)容:典型的團簇:碳簇(:(足球稀)富勒烯系列全碳分了的代表(2)團簇特性確定各種尺寸團簇的磁化率等特性。如Cd。及富勒烯衍生 物的結(jié)構(gòu)和它們的各種性質(zhì)。(3)團簇理論團簇的尺寸山小而大的結(jié)構(gòu)及構(gòu)型的遼相轉(zhuǎn)化。各種可能 構(gòu)型的穩(wěn)定性。碳簇的各種結(jié)構(gòu)和拓撲學(xué)。碳簇的電子能 級、能帶結(jié)構(gòu)。(1)團簇結(jié)構(gòu)的光譜、光電子能譜研究|丨的是確定各種團簇的能級和振動能級.從而確定電子能 級。富勒烯

5、(fullerene)是由碳原子形成的 一系列籠形分子的總稱，它是碳單質(zhì)的第三 種穩(wěn)定的存在形式，C&0是富勒烯系列全碳分 子的代表。由12個五邊形 和20個六邊形 組成的球形32 面體，屬于In 點群。C60結(jié)構(gòu)圖示意圖GRAPHITEi/2 5 oA gjDiamond(WestAfrica,20.09ct)Atom Positions (00.0 (0.0.%冷石C“的發(fā)現(xiàn)過程足球烯發(fā)現(xiàn)的偶然性與必然性：偶然的合作和發(fā)現(xiàn)： （二）:有序說認為晶粒間界處含有短程有序的結(jié)構(gòu)取元，晶粒間界處原了保持-定的 有序度，通過階梯式移動實現(xiàn)局部能量的最低 快態(tài)。（三）:該理論認為納米材料晶界結(jié)構(gòu)受晶粒

6、取向和外場作用等些因素的限制， 在有序和無序之間變化。3.1.3人造原子物理新概念，最早稱為量子點，如半導(dǎo)體的量子 點、量子棒、量子圓盤甚至量子器件等。全同納米團簇周期點陣：一種新的兩維人造晶格將納米團簇按特定的大小并自發(fā)地排列 成周期排列的有序結(jié)構(gòu)，就構(gòu)成了自然界不存 在的新的凝聚態(tài)物質(zhì)形式。在這類新的晶體形式中，由于每個構(gòu)造 單元僅僅包含幾個到幾十個原子，原子尺度上 的尺寸漲落或排列非周期性都將導(dǎo)致其性質(zhì)的 巨大變化，因而大小均勻性及排列周期性是兩 個最基本的要素。Ceo band each otherGaA120nmln(；aAs/(；aA.s竹波廿型址了點激光器示怠圖駅個k原廊列成圓形

7、屆了栃匕它的點 徑只有14.26 nm 其內(nèi)部構(gòu)逍還衣爪著鈦干柵欄內(nèi) 部電f密度的分布CrN-GaAsHin 1:也（2（lntnX5nm） P-AL XUioA* N-AltiA PPfllN巾的M包筋戻之御.足 tlh U/l骼了心細直的什mx 巧電滾笛r i75inAi.s-u卜的連片彖q仁對應(yīng)的丙血電流密哎為3.1 x |0A/cm-低溫(4.2 K)條件下用STM移 Cu(lll)表面匕的Fe原子人造原子與真正原子的主要差別：人造原子含有一定數(shù)量的真正原子；人造原子的形狀和對稱性多種多樣；I 人造原子電子間的強交互作用更復(fù)雜； 電子容易發(fā)生電荷漲落。3. 1. 3納米管、納米棒、納米

8、絲和納米線納米管：納米碳管、WS2管、MoS2管、BN管、NC管、 環(huán)糊精管等等。納米棒、納米絲和納米線：實心結(jié)構(gòu)，縱橫比小的為納米棒，縱橫比大的為納米絲。關(guān)于碳納米管一種非常奇特的材料，它是石墨中一層或若干 層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的， 外部直徑只有兒到兒十納米。幾有良好的表面、 機械和電學(xué)特性，被科學(xué)家譽為“21世紀的材 料”:A隨電丿E的變化，碳管的長度會規(guī)律地伸展或收縮： 可制成人造肌肉纖維/材料很輕而結(jié)實：密度是鋼的1/6,強度卻是鋼的 100 倍。細尖極易發(fā)射電子：用F做電子槍，可做成兒厘米 厚的壁掛式電視屏。與金剛石相同的熱導(dǎo)和獨特的力學(xué)性能。理想的納米碳管：石墨

9、烯片層卷成的無縫、中 空的管體。納米碳管可分為:單壁納米碳管（Single walled carbon nanotube,SWNT,亶徑一般舟1-6 nm,最小fl徑人約為0.5 nm 直徑大6nm以后特別不穩(wěn)定，會發(fā)生管的塌陷，長度 h則可達幾百納米到幾個微米）心多壁納米碳管（Multi-walled carbon nanotube,MWNT,層間距約為0.34納米，直徑在幾個納米到兒十 I 納米，長度一般在微米駅級，最長者可達數(shù)毫米）多壁碳納米管掃描電鏡照片碳納米管的主要制備方法納米管。兩根石墨電極直流放電，在陰極上產(chǎn)生碳 通過碳氫化物的分解得到碳納米管。采用激光刻蝕高溫爐中的石墨靶。由以

10、上基本結(jié)構(gòu)單元組成的納米材料可分為四類:3.2納米粒子的性質(zhì)已經(jīng)知道，納米粒子是尺寸在1-100 mn之間的 粒子，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。通常 的納米材料是由納米粒子組成的。從一般微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典 型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介 觀系統(tǒng)，具有下述效應(yīng)，并由此派生出傳統(tǒng)固體不具 有的許多特殊性質(zhì)。321表面效應(yīng)3.2.2體積效應(yīng)/小尺寸效應(yīng)3.2.3量子尺寸效應(yīng)3.2.4宏觀量子隧道效應(yīng)3.2.1表面效應(yīng)當材料粒徑遠大于原子直徑時，表面原 子可忽略：但當粒徑逐漸接近原子允徑時，表面 原子的數(shù)目及其作用就不能忽略，而FL品粒的表面 積、表面能和表廁

11、結(jié)合能等都發(fā)生r很大的變化， 由此而引起的種種特異效應(yīng)統(tǒng)稱為。原因:處于農(nóng)而的原/數(shù)較多，農(nóng)而原產(chǎn)的晶場環(huán) 境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同所引起的。圖中可看出,當粒徑為10nm時，表面原子數(shù)為完整晶粒 原子總數(shù)的20%：而粒徑為Inm時，K表而原子百分數(shù)增人 到99%此時組成該納米晶粒的所有約30個原于幾F全部集 中在其表面。looaoGOQxO隨著納米材料粒徑的減小,表面原子數(shù)迅速增加。由于表而原了周圍缺少相 鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性，易與其他 原了相結(jié)合而穩(wěn)定F來，故表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。隨著粒徑的減小，納米材料的表面枳、表面能及表面 結(jié)合能都迅速增大。”界面原子所占的體積分數(shù)迅速增

12、加對于材 料牲能的影響非常顯著。因為納米材料的許多物牲主 要是由界面決定的。-（1）擴散系數(shù)大原因：因為納米晶界的原子密度很低，大量界面的 存在人星的界而為原子擴散提供了高密度的短程快 擴散路徑。此外，擴散系數(shù)的增大也部分來源于三 叉扁界處的高擴散系數(shù)。如納米固體Cu中的自擴散系數(shù)比晶格擴散系數(shù)高14 20個數(shù)量級。如納米CaF2離/晶體中的離J二晶體導(dǎo)電率比相應(yīng)的 單晶和粗晶材料中的值分別高兩個和一個數(shù)暈級，這一 離子導(dǎo)電率的改善直接來源于納米品界中的高擴散行為。（2）陶瓷增韌原因：主要歸因于人暈的界面伙1索。納米材料的塑性變 形主要是通過晶粒之.間的相對滑移而實現(xiàn)的。納米材料 中晶界區(qū)域擴散系數(shù)非常大，存在著大量的短程快擴散 過程使得形變過程中一些初發(fā)的微裂紋能夠得以迅速彌 合，從而在一定程度上避免了脆性斷裂的發(fā)生。如納米Tit）?在室溫卞的應(yīng)變速率已接近軟金屬鉛的 1/4, 180C時塑性變形可達100%,帶預(yù)裂紋的試樣在 18（）C彎曲時不發(fā)生裂紋擴展。隨著粒徑的減小，納 米陶瓷的應(yīng)變速率敏感率迅速增大。在納米ZnO也觀 察到了類似的塑性行為。（3）納米陶瓷粉末燒結(jié)溫度