納米材料特性

1、納米材料導(dǎo)論作業(yè)1、什么是納米材料？怎樣對納米材料進(jìn)行分類？答：任何至少有一個維度的尺寸小于 100nm 或由小于 100nm 的基本單元組成 的材料稱作納米材料。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩部分：一是直徑為幾或 幾十納米的粒子，二是粒子間的界面。納米材料通常按照維度進(jìn)行分類。原 子團(tuán)簇、納米微粒等為 0 維納米材料。納米線為 1 維納米材料，納米薄膜為 2 維納米材料，納米塊體為 3 維納米材料，及由他們組成的納米復(fù)合材料。 按照形態(tài)還可以分為粉體材料、晶體材料、薄膜材料。2、納米材料有哪些基本的效應(yīng)？試舉例說明。答： 納米材料的基本效應(yīng)有：一、尺寸效應(yīng)，納米微粒的尺寸相當(dāng)或小于光 波波長、傳

2、導(dǎo)電子的德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)的相干長度或投射深度等特征尺 寸時，周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特征性即呈 現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。出現(xiàn)光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移； 磁有序態(tài)轉(zhuǎn)為無序態(tài)；超導(dǎo)相轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｏ啵宦曌幼V發(fā)生改變等。例如，納 米微粒的熔點遠(yuǎn)低于塊狀金屬；納米強(qiáng)磁性顆粒尺寸為單疇臨界尺寸時，具 有很高的矯頑力；庫侖阻塞效應(yīng)等。二、量子效應(yīng)，當(dāng)能級間距S大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，必須考慮量子效應(yīng)， 隨著金屬微粒尺寸的減小，金屬費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散 能級的現(xiàn)象 和半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被

3、占 據(jù)分子軌道，能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子效應(yīng)。例如，顆粒的磁化率、比熱 容與所含電子的奇、偶有關(guān)，相應(yīng)會產(chǎn)生光譜線的頻移，介電常數(shù)變化等。 三、界面效應(yīng)，納米材料由于表面原子數(shù)增多，晶界上的原子占有相當(dāng)高的 比例，而表面原子配位數(shù)不足和高的表面自由能，使這些原子易與其它原子 相結(jié)合而穩(wěn)定下來，從而具有很高的化學(xué)活性。引起表面電子自旋構(gòu)象和電 子能譜的變化；納米微粒表面原子運(yùn)輸和構(gòu)型的變化。四、體積效應(yīng)，由于 納米粒子體積很小，包含原子數(shù)很少，許多現(xiàn)象不能用有無限個原子的塊狀 物質(zhì)的性質(zhì)加以說明，即稱體積效應(yīng)。久保理論對此做了些解釋。3、納米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特點？答： 納米晶的晶

4、界具有以下不同于粗晶晶界結(jié)構(gòu)的特點： 1）晶界具有大量 未被原子占據(jù)的空間或過剩體積， 2）低的配位數(shù)和密度， 3）大的原子均方間距， 4）存在三叉晶界。此外，納米晶材料晶間原子的熱振動要大于粗晶的晶間原子 的熱振動，晶界還存在有空位團(tuán)、微孔等缺陷，它們與旋錯、晶粒內(nèi)的位錯、孿 晶、層錯以及晶面等共同形成納米材料的缺陷。4、納米材料有哪些缺陷？總結(jié)納米材料中位錯的特點。 答：納米材料的缺陷有：一、點缺陷，如空位，溶質(zhì)原子和雜質(zhì)原子等，這 是一種零維缺陷。二、線缺陷，如位錯，一種一維缺陷，位錯的線長度及位錯運(yùn) 動的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孿晶、層錯等，這是一種二 維缺陷。 納米

5、晶粒內(nèi)的位錯具有尺寸效應(yīng)，當(dāng)晶粒小于某一臨界尺寸時， 位錯不 穩(wěn)定，趨向于離開晶粒， 而當(dāng)粒徑大于該臨界尺寸時， 位錯便穩(wěn)定地存在于晶粒內(nèi)。位錯與晶粒大小之間的關(guān)系為：1）當(dāng)晶粒尺寸在50100nm之間，溫度0.5Tm時，位錯的行為決定了材料的力學(xué)性能。 隨著晶粒尺寸的減小，位錯的作用開始 減小。2）當(dāng)晶粒尺寸在3050nm時可認(rèn)為基本上沒有位錯行為。3）當(dāng)晶粒尺 寸小于10nm時產(chǎn)生新的位錯很困難。4）當(dāng)晶粒小于約2nm時，開動位錯源的 應(yīng)力達(dá)到無位錯晶粒的理論切應(yīng)力。5、總結(jié)納米材料的合成與制備方法。答：納米材料的合成與制備方法概括如下圖：方法制備特點氣 相 法物理氣相沉積將高溫的蒸氣在冷

6、阱中冷 凝或在襯底上沉積和生長 出低維納米材料的方法超細(xì)粉末，粉末的純度咼， 圓整度好，表面清潔，粒度 分布比較集中缺點是粉體的 產(chǎn)生率低化學(xué)氣相沉積當(dāng)前驅(qū)體氣相分子被吸附 到咼溫襯底表面時將發(fā)生 熱分解或與其它氣體或蒸 氣分子反應(yīng)然后在襯底表 面形成固體。可制備出不同的超晶格材 料，外延表面和界面可達(dá)原 子級的平整度，但有雜質(zhì)、 產(chǎn)物少液 相 法沉淀法以沉淀反應(yīng)為基礎(chǔ)形 成不溶性沉淀高物經(jīng)過過 濾、洗滌、烘干及焙燒，得 到所需的納米氧化物粉體。純度咼，均勻性好、設(shè)備簡 單、原料容易獲得、化學(xué)組 成控制準(zhǔn)確，微乳液法在微乳液的微區(qū)控制膠粒 的形核與長大粒子分散性好，但粒徑較大 不易控制溶膠-凝

7、膠法由水溶膠得到凝膠，經(jīng) 熱處理得到納米顆粒粒度小、可控，粒子易團(tuán)聚電解沉積法在溶液中通以電流后在陰 極表面沉積大里的晶粒尺 寸在納米量級的純金屬、合 金以及化合物投資少，生產(chǎn)效率咼，不受 試樣尺寸和形狀的限制，可 制成溥膜、涂層或塊體材料， 所得樣品密度較高固 相 法機(jī)械合金化高能球磨或沖擊破碎投資少、適用材料范圍廣可 大批量生產(chǎn)，但易造成環(huán)境 污染、晶粒粗化固相反應(yīng)固相物質(zhì)在熱能、電能或機(jī) 械能的作用下發(fā)生合成或 分解反應(yīng)而生成納米材料 的方法設(shè)備簡單，但是生成的粉容 易結(jié)團(tuán)，常需要二次粉碎大塑性變形壓力扭轉(zhuǎn)，等通道積壓可生產(chǎn)出較大的樣品不含空 隙類缺陷，晶界潔凈，但含 有較大的殘余應(yīng)力，

8、晶粒尺 寸較大非晶晶化熔融金屬快冷成非晶，控制 晶化高密度、產(chǎn)量少，應(yīng)用范圍 有限表面納米化將材料的表層晶粒細(xì) 化至納米量級而基體仍保 持原粗晶狀態(tài)，可以采用表 面機(jī)械加工、反復(fù)摩擦的方 法實現(xiàn)材料表面納米化大幅度提咼了塊體材料的表 面性能，可以實現(xiàn)材料表面 結(jié)構(gòu)選擇性化學(xué)反應(yīng)自組裝技術(shù)在合適的物理、化學(xué)條件 下，原子團(tuán)、大分子、納米 絲或納米晶體等結(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-疏水相互作用 自發(fā)地形成具有納米結(jié)構(gòu) 材料的過程應(yīng)用廣泛，在光、電、磁及 催化等領(lǐng)域具有很大的潛在 應(yīng)用價值。自組裝技術(shù)已經(jīng) 擴(kuò)展到液相，氣相合成過程 中?？梢宰越M裝成有序的排

9、 列結(jié)構(gòu)，模板合成法在模板孔洞限制的介質(zhì)環(huán) 境中填充模板中孔洞的過 程，多種方法填充模板中的 孔洞，以獲得具有模板孔洞 尺寸和排列相同的納米材 料或結(jié)構(gòu)可以合成和制備多種低維納 米材和納米結(jié)構(gòu)，如碳納米 管料、有序分布的GaN納米 絲陳列、ZnO單晶晶須陳列、 單晶Si納米線以及在每一個 微孔中含有數(shù)個單分散膠體 粒子的有序微孔結(jié)構(gòu)納米平板印刷術(shù)一種制備納米結(jié)構(gòu)的精細(xì) 加工技術(shù)，利用光、掩膜和 腐蝕膠來完成納米級圖案 的轉(zhuǎn)移可制備出多種材料的量子點 和量子線陳列，可實現(xiàn)在原 子尺度上的加工，線寬可達(dá)0.11nm，應(yīng)用前景廣闊6、總結(jié)納米材料的力學(xué)性能特點。、強(qiáng)答：一、彈性模量，納米晶的彈性模量

10、要受晶粒大小的影響，晶粒越細(xì)，所 受的影響越大，E的下降越大。但是只有當(dāng)晶粒小于 20nm時，規(guī)一化模量 才開始下降，晶粒很小時（小于 5nm）時，彈性模量才大幅度下降。度，由于Hall-Petch公式是建立在粗晶材料上的經(jīng)驗公式，建立在位錯理論 基礎(chǔ)上的，而納米材料本身位錯的特點決定了其屈服強(qiáng)度隨晶粒尺寸d的變化不服從Hall-Petch關(guān)系。納米材料的硬度和強(qiáng)度大于同成分的粗晶材料的 硬度和強(qiáng)度。三、塑性，在拉應(yīng)力作用下，與同成分的粗晶金屬相比，納米 晶金屬的塑、韌性大幅下降；而在壓應(yīng)力狀態(tài)下納米晶金屬能表現(xiàn)出很高的 塑性和韌性?？傊?，在位錯機(jī)制不起作用的情況下，在納米晶金屬的變形過 程中

11、，少有甚至沒有位錯行為。此時晶界的行為可能起主要作用，這包括晶 界的滑動、與旋錯有關(guān)的轉(zhuǎn)動，同時可能伴隨有由短程擴(kuò)散引起的自愈合現(xiàn) 象。此外，機(jī)械孿生也可能在納米材料變形過程中起到很大的作用。四、納 米材料的蠕變，納米材料的蠕變擴(kuò)散速率并不明顯大于微米晶的蠕變速率，無論在低溫或中溫范圍內(nèi)晶界擴(kuò)散蠕變或Coble蠕變并不適用于納米材料。關(guān)于納米材料的蠕變機(jī)制、納米材料由于具有相當(dāng)大的體積分?jǐn)?shù)的晶界和極 高的晶界擴(kuò)散系數(shù)，那么納米材料能否在低應(yīng)力和較低的溫度下產(chǎn)生晶界擴(kuò) 散蠕變等問題仍處于研究階段。另外，當(dāng)材料的晶粒由微米降為納米級時， 由于擴(kuò)散系數(shù)的增加和晶粒指數(shù)值的增加，材料超塑可望在較低的溫

12、度下(如 室溫)或在較高的速率下產(chǎn)生，但關(guān)于納米材料是否就有超塑性尚無定論。復(fù)合納米材料，常用的有 2-2維、0-3維和0-0型復(fù)合材料，研究表明， 納米復(fù)合材料既有高的強(qiáng)度，同時又具有高的韌性。通過納米復(fù)合材料，可 突破現(xiàn)在工程材料的強(qiáng)度和韌性此消彼長的矛盾，創(chuàng)造高強(qiáng)度、高韌性統(tǒng)一 的新材料，前景誘人。7、什么是單電子效應(yīng)？單電子效應(yīng)有哪些主要的特點？產(chǎn)生單電子效應(yīng)的原理 是什么？在什么條件下可以觀察到單電子效應(yīng)？答：在低維納米固體結(jié)構(gòu)中，通過改變電壓的方式能操縱電子一個一個地運(yùn) 動，這就是單電子效應(yīng)；主要特點是由于電子具有量子屬性，所以它能以一 定的概率隧穿通過勢壘，即發(fā)生量子隧穿現(xiàn)象。產(chǎn)

13、生單電子效應(yīng)的原理是當(dāng) 隧穿條件不滿足時靜電場封鎖了電子通道，隧穿過程不能發(fā)生，即庫侖阻塞 效應(yīng)的產(chǎn)生。要觀察到單電子現(xiàn)象，首先要保證隧道結(jié)的靜電勢遠(yuǎn)大于環(huán)境 溫度引起的漲落能，即e2/(2C) kpT，否則單電子現(xiàn)象將被熱起伏所淹沒。其次，隧道結(jié)的電阻R必須遠(yuǎn)大于電阻量子Rk/e225.8KQ。從而使兩次隧穿事件不重疊發(fā)生，從而保證電子一個一個地隧穿。8 什么是巨磁阻效應(yīng)？哪些材料結(jié)構(gòu)具有巨磁阻效應(yīng)？討論產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng) 的原理。答：由磁場引起材料電阻變化的現(xiàn)象稱為磁電阻或磁阻效應(yīng)。MR謊y普通材料的磁阻效應(yīng)(MR)很小，我們把發(fā)現(xiàn)一些材料的磁阻效應(yīng)超過50 %的MR，且為各向同性，負(fù)效應(yīng)，這

14、種現(xiàn)象被稱為巨磁電阻(Gia ntMagntoresistanee GMR)效應(yīng)。已發(fā)現(xiàn)具有 GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、 自旋閥、顆粒膜、非連續(xù)多層膜、氧化物超巨磁電阻薄膜等五大類。產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng)的原理分別討論如下:一、多層膜的GMR效應(yīng)。根據(jù)Mott的二流體模型, 傳導(dǎo)電子分成自旋向上與自旋向 下的兩組，只考慮磁層產(chǎn)生的影 響。兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都 在穿過磁矩取向與其自旋方向相鐵磁性層Y鐵磁性層非磁性隔離層非磁性隔離層鐵磁性層 鐵磁性層非磁性隔離層非磁性隔離層鐵磁性層F鐵磁性層一-同的一個磁層后，遇到另一個磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強(qiáng)烈的散射作用，在宏觀上，多層膜處

15、于高電阻狀態(tài)。當(dāng)外加磁場足夠大，原本反平行排列的 各層磁矩都沿外場方向排列的情況?？梢钥闯?，在傳導(dǎo)電子中，自旋方向與磁矩取向相 同的那一半電子可以很容易地穿過許多磁層而只受到很弱的散射作用，而另一半自旋方 向與磁矩取向相反的電子則在每一磁層都受到強(qiáng)烈的散射作用。在宏觀上，多層膜處于 低電阻狀態(tài)，這樣就產(chǎn)生了 GMR 現(xiàn)象。二、自旋閥的GMR效應(yīng)。為了使GMR材料的Hs降低以提高磁場傳感靈敏度,了選用優(yōu)質(zhì)軟磁鐵為鐵磁層和使非磁性導(dǎo)體層加厚，磁性層間的磁耦合變?nèi)酰诤苋醯?磁場下就可以實現(xiàn)僅使自由層的磁場發(fā)生翻轉(zhuǎn)。三、納米顆粒膜的 GMR 效應(yīng)。納米顆粒膜是指納米量級的鐵磁性相與非鐵磁性導(dǎo) 體相非均勻析出構(gòu)成的合金膜。在鐵磁顆粒的尺寸及其間距小于電子平均自由程的條件 下，顆粒膜就有可能呈現(xiàn) GMR 效應(yīng)。四、隧道型TMR效應(yīng)。積層為下述的三明治結(jié)構(gòu)：鐵磁性A/非鐵磁性絕緣層/鐵磁性B。由于兩鐵磁性層自發(fā)磁化的作用，右旋自旋和左旋自旋電子穿過隧道的幾率不同，由此產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)。9、總結(jié)納米二氧化鈦的光催化特點。答：納米二氧化鈦的光催化原理是利用光來激發(fā) TiO2 等化合物半導(dǎo)體，利用它們產(chǎn)生 的電子和空穴來參加氧化 -還原反應(yīng)。大多數(shù)情況下，光催化反應(yīng)都離不開空氣和水。TiO2 的光催化性能不僅取決于光生載流子電極電位的高低，而且還取決于光生載流子的輸送，故不同晶體結(jié)構(gòu)