納米復(fù)習資料

1、納米復(fù)習資料本課程以納米表征學(xué)和納米材料學(xué)的內(nèi)容為主，其中納米表征學(xué)乂以掃描探針顯微鏡 (SPM)中的STM和AFM為主。納米材料學(xué)涉及了納米材料的基本結(jié)構(gòu)單元，納米材料的物 理效應(yīng)，以及各維度納米材料的電子結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)特性及其制備方法。最后是納米結(jié) 構(gòu)的概念和應(yīng)用。納米表征學(xué)要點? 1.掃描探針顯微鏡(SPM)的特點? 2. ST2的針尖制備? 3. AFM的微懸臂偏轉(zhuǎn)檢測納米材料學(xué)要點? 一.納米結(jié)構(gòu)單元部分?納米材料的概念及其分類? ?原子團簇的特性C60足球烯的特性碳納米管的特性和制備方法，CVD?法制備碳納米管中，碳納米管的生長機理9 9 納米薄膜二.納米材料的物理基礎(chǔ)與基本效應(yīng)

2、部分?小尺寸效應(yīng)及其影響9 9 9 9 9 9 9表面效應(yīng)三.納米微粒的物理和化學(xué)特性部分納米微粒的力、磁、光、光催化性質(zhì)四.納米 材料的制備方法部分氣體冷凝法氫電弧等離子體法沉淀法?水熱法（水熱技術(shù)的特點，水熱反應(yīng)的分類）9999999999溶膠凝膠法濺射法流動液面上真空蒸鍍法化學(xué)氣相沉積定義非晶晶化法納米陶瓷的制備五.納米結(jié)構(gòu)部分納米結(jié)構(gòu)的定義自組裝的定義納米電子學(xué)要點只涉及很少一部分內(nèi)容：單電子器件的基本單元量子計算機的優(yōu)點什么是電導(dǎo)量子化?有關(guān)納米材料的安全性,談?wù)勀銈€人的看法。-1 -1 .掃描探針顯微鏡（SPM）的特點9 9 9 9 9 9分辨率高可實時得到實空間中樣品表面的三維圖

3、像可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)可在 真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息設(shè)備相對簡單、體積小、 價格便宜2 .納米材料的概念及其分類兩個條件：（1）在三維空間中至少有一維處于納米尺度或由他們作為基本單元構(gòu)建 的材料（2）于塊體材料相比，在性能上有所突變或者大幅提高的材料分類:納米基本單元是納米材料學(xué)首要的研究內(nèi)容。其按空間維數(shù)分為：零維，指空間三維尺 度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團簇等。一維，指空間二維尺度處于納米尺度, 如納米線（棒）、納米管等。二維，指空間三維尺度中有一維在納米尺度，如超薄膜、多 層膜等。這些基本單元常常具有量子

4、性質(zhì)，所以零維、一維、二維基本單元乂分別稱為量子點、 量子線和量子阱。9999 3.CVD法（碳氫化合物催化熱分解法）CVD法優(yōu)點：?反應(yīng)過程易于控制，設(shè)備簡單，原料成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)率高(>90%)缺點:CNTs層數(shù)多，石墨化程度較差，存在較多的結(jié)晶缺陷，對CNTs的力學(xué)性能及物理化 學(xué)性能有不利影響。碳管生長機理CVD法生長溫度常為500-1000 oC,生長過程中，過渡金屬(Fe、Ni、Co等)催化劑顆 粒吸收和分解碳氫化合物的分子，碳原子擴散到催化劑的內(nèi)部后形成金屬-碳的固溶體， 隨后，碳原子從過飽和的催化劑顆粒中析出，形成納米管結(jié)構(gòu)。通常一根碳管一端附有或包覆著催化劑顆粒

5、，另一端為空心。1.頂部生長機理假定催化劑分子是球形或梨形的，此時，沉積將僅在催化劑的一半表面上進行，由于 存在濃度梯度，碳原子會擴散，從而在催化劑粒子的中垂直徑兩邊沉淀。但是，碳原子不 在催化劑粒子的低端沉淀。這就解釋了碳納米管為什么是中空的結(jié)構(gòu)。2.底部生長機理碳原子從碳管的底部擴散進入石墨層網(wǎng)格，擠壓而形成碳納米管，底部生長機理的特 征是：碳管一端與催化劑微粒相連，另一端是不含有金屬微粒的封閉端。附：處于超順 磁狀態(tài)的材料具有兩個特點：? a)無磁滯回線：？b)矯頑力等于零。?材料的尺寸是材料是否處于超順磁狀態(tài)的決定因素。?同時，超順磁性還與時間 和溫度有關(guān)。1.納米微粒的粒徑與熔點的關(guān)

6、系(1)熔點和開始燒結(jié)溫度比常規(guī)粉體的低得多-2 -(2)原子振動描述納米材料的熔融溫度2.比熱容的增加3.熱膨張系數(shù)的增加可以顯著提高其光催化效率。有以下3方面的原因：(i)能隙變寬(ii)電子空穴分離效率高(iii)吸附能力強納米微粒的制備方法分類：1 .根據(jù)是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，納米微粒的制備方法通常分為兩大類：物理方法和化 學(xué)方法。2 .根據(jù)制備狀態(tài)的不同，制備納米微粒的方法可以分為氣相法、液相法和固相法等； 3.按反應(yīng)物狀態(tài)分為干法和濕法。氫電弧等離子體法制備的金屬粒子特性：A.儲氫性能由于納米粒子表面積較大，制備過程中使用了氫氣，因此產(chǎn)物納米粒子吸附有一定量 的氫。可用脫附和質(zhì)譜實驗所

7、證實。隨著溫度的增加，納米粒子釋放的氫量也增加，大 約在400C時釋放氫量達到一個極大值。然后隨著溫度的增加而逐漸減少。大約在600C 時，氫氣已經(jīng)釋盡。用濺射法制備納米微粒有以下優(yōu)點：（i）可制備多種納米金屬，包括高熔點和低熔點 金屬。常規(guī)的熱蒸發(fā)法只能適用了低熔點金屬；（ii）能制備多組元的化合物納米微粒， 如A152T148, Cu91Mn9及Zr02等：（iii）通過加大被濺射的陰極表面可提高納米微粒的 獲得量。化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)或蒸氣態(tài)的物質(zhì)在氣相或氣固界面上生成固態(tài)沉積物的技術(shù)。 液相法制備納米微粒液相法制備納米微粒是將均相溶液通過各種途徑使溶質(zhì)和溶劑分離，溶質(zhì)形成一定形 狀和

8、大小的顆粒，得到所需粉末的前驅(qū)體，熱解后得到納米微粒。Solution-based method液相法具有設(shè)備簡單、原料容易獲得、純度高、均勻性好、化學(xué)組成控制準確等優(yōu)點, 主要用于氧化物系超微粉的制備。液相法包括沉淀法，水解法，水熱法，噴霧法，乳液法，溶膠-凝膠法，其中應(yīng)用最 廣的是沉淀法、溶膠-凝膠法。五.水熱技術(shù)具有以下特點：1）、其溫度相對較低。對比氣相法2）、在封閉容器中進行，避免了組分的揮發(fā)。 3）、體系一般處于非理想、非平衡狀態(tài)。4）、溶劑處于接近臨界、臨界或超臨界狀態(tài)依據(jù)水熱反應(yīng)的類型不同，可分為水熱結(jié)晶法、合成法、分解法、脫水法、氧化法、 還原法等。近年來，還發(fā)展出電化學(xué)水熱

9、法以及微波水熱合成法。前者將水熱法與電場相結(jié)合， 而后用微波加熱水熱反應(yīng)體系。（i）水熱氧化：典型反應(yīng)可用下式表示：? mM + nH20 ? MmOn + H2其中M可為銘、鐵及合金等（ii）水熱沉淀：比如9*KF + MnC12 ? KMnF2一 3 一（iii）水熱合成：比如? FeTiO3 + KOH ? K2O. nTiO2 (iv)水熱還原：比如? MexOy + yH2 ? xMe + yH2O ?其中Me可為銅、銀等.(v)水熱分解：比如? ZrSiO4 + NaOH ? ZrO2 + Na2SiO3溶膠一凝膠法的優(yōu)缺點如下：? (i)化學(xué)均勻性好：由于溶膠凝膠過程中，溶膠由溶

10、液制得，故膠粒內(nèi)及膠粒間化 學(xué)成分完全一致。? (ii)高純度：粉料(特別是多組份粉料)制備過程中無需機械混合。？ (iii)顆粒 細：膠粒尺寸小于lOOnm。? (iv)該法可容納不溶性組分或不沉淀組分。不溶性顆粒均勻地分散在含不產(chǎn)生沉 淀的組分的溶液，經(jīng)膠凝化。不溶性組分可自然地固定在凝膠體系中。不溶性組分顆粒 越細，體系化學(xué)均勻性越好。? (v)烘干后的球形凝膠顆粒自身燒結(jié)溫度低，但凝膠顆粒之間燒結(jié)性差，即體材料燒結(jié)性不好。? (vi)凝膠干燥時收縮大。非晶晶化法?人們希望通過“一步過程”實現(xiàn)金屬和合金材料結(jié)構(gòu)的納米化?！耙徊竭^程”是指 將外部能量引入或作用于母體材料，使其產(chǎn)生相或結(jié)構(gòu)的

11、轉(zhuǎn)變，直接制備出塊體納米材料, 此類過程的典型代表是非晶晶化法。? 1990年，中科院金屬所的盧柯研究員提出制備納米晶體的新方法?非晶晶化法。即通過(溫度)控制非晶態(tài)固體的晶化動力學(xué)過程，使產(chǎn)物中的晶化區(qū)域局限為納米尺 寸的晶粒。該法工藝近年來發(fā)展極為迅速，通常由非晶態(tài)固體的獲得和晶化兩個過程組成。?非晶態(tài)固體可通過熔體急冷、高速直流濺射、等離子體流霧化、固態(tài)反應(yīng)法等技術(shù)制備，最常用的是單輯或雙程旋淬法。如果獲得的是非晶粉末、絲以及條帶等低維 材料，還需采用熱模壓實、熱擠壓或高溫高壓燒結(jié)等方法合成塊狀非晶樣品。晶化過程主 要通過熱退火實現(xiàn)，通常采用等溫退火方法，近年來還發(fā)展了分級退火、脈沖退火

12、、激波 誘導(dǎo)退火等方法。納米陶瓷制備過程分為三個主要部分：納米陶瓷粉體的合成、納米陶瓷素坯的成形、 納米陶瓷的燒結(jié)（必須解決晶粒的長大問題）。方法：無壓力燒結(jié)（靜態(tài)燒結(jié)）熱壓燒結(jié)（燒結(jié)?鍛壓法）所謂納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營造一種新的體系, 它包括一維、二維、三維體系納米材料的自組裝是在合適的物理、化學(xué)條件下，原子、分子、粒子和其它結(jié)構(gòu)單元, 通過氫鍵、范德瓦爾斯鍵、靜電力等非共價鍵的相互作用、親水一疏水相互作用，在系統(tǒng) 能量最低性原理的驅(qū)動下，自發(fā)地形成具有納米結(jié)構(gòu)材料的過程；自組裝也指如果體系拆 分成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，在適當條件下，這些結(jié)構(gòu)單元會混合重新形成完整

13、結(jié)構(gòu)。-4 -納米材料是新科技的產(chǎn)物，納米材料是指由納米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的任何類型的材料，其 顆粒尺寸一般介于0. Inm到100nm之間，美國已開展了關(guān)于納米材料對環(huán)境和人可能造成 危害性的研究，重點研究的五個問題是：皮膚對納米材料的吸附和對皮膚的毒性；同其他 水源污染物相比，納米顆粒進入飲用水后，是否有毒，如何起毒化作用：納米顆粒對操作 者肺部組織影響的研究；海洋或淡水水域中納米顆粒沉淀物對環(huán)境的影響：以及在什么條 件下，納米顆?？赡芪蘸歪尫怒h(huán)境污染物。國外，曾有研究人員對碳納米管、納米聚四 氟乙烯和碳顆粒的生理毒性進行了實驗，結(jié)果表明，長期吸入上述納米微粒后，在肺部會 發(fā)生沉積，對健康極其不利5。據(jù)自然雜志報