納米材料及其應(yīng)用

1、第四篇第四篇 納米材料及其應(yīng)用納米材料及其應(yīng)用第四篇 納米材料及其應(yīng)用 納米材料科學(xué)對(duì)介于團(tuán)簇和亞微米級(jí)體系之間1100nm微小體系的制備及其特性的研究的一個(gè)分支學(xué)科。 1990年7月在美國(guó)巴爾基摩召開(kāi)的國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議上，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個(gè)分支公布于世。納米材料科學(xué)的誕生標(biāo)志著材料科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的層次。 第四篇 納米材料及其應(yīng)用一、納米微細(xì)材料的工藝方法二、納米材料的量子效應(yīng)三、納米材料的熱學(xué)特性四、納米材料的磁學(xué)特性五、納米材料的光學(xué)特性六、納米微粒的分析和測(cè)量七、納米材料的應(yīng)用一、納米微細(xì)材料制造的工藝方法 1、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法 （LICVD）

2、 基本原理利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)激光束的吸收，引起反應(yīng)氣體分子激光光解、激光熱解、激光光敏化和激光誘導(dǎo)合成，在一定工藝條件下，獲得納米微粒。 優(yōu)點(diǎn)表面清潔、納米微粒大小可精確控制、無(wú)粘結(jié)、粒度分布均勻。2、低溫等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD） 基礎(chǔ)化學(xué)氣相沉積法 原理由于等離子體是不等溫系統(tǒng)，其中“電子氣”具有比中性粒子和正離子大得多的平均能量；電子的能量足以使氣體分子的化學(xué)鍵斷裂，并導(dǎo)致化學(xué)活性高的粒子（離子、活化分子等基團(tuán)）的產(chǎn)生。即，反應(yīng)氣體的化學(xué)鍵在低溫下就可以被分解，從而實(shí)現(xiàn)高溫材料的低溫合成。1、微波源2、真空系統(tǒng)3、勵(lì)磁系統(tǒng)4、配氣系統(tǒng)5、反應(yīng)室6、基片加熱 系統(tǒng) 低

3、溫等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉淀技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)： 運(yùn)行氣壓低。 等離子體密度高。 無(wú)內(nèi)電極放電，雜質(zhì)少，污染小。 微波能量轉(zhuǎn)換率高，達(dá)95%。 離子能量低。 可穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，參數(shù)易于控制。 速率高、納米材料純度高。 提高了反應(yīng)物的活性。 有良好的各向異性刻蝕性能。3、液相法制備納米材料 化學(xué)共沉淀是利用各種組分元素的可溶性鹽類，把它們按一定的比例配制成液體，然后加入沉降劑，如 、 等，使得各種組分元素共同形成沉淀，并通過(guò)控制溶液濃度、PH值等來(lái)控制形成沉淀粉體的性能。最后經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌，對(duì)沉淀物進(jìn)行加熱分解，得到各種組分元素的氧化物均勻復(fù)合粉體。氧化鋅納米粉體的制備過(guò)程如圖所示。OHNH434CONH二、納

4、米材料的量子效應(yīng) 1、量子尺寸效應(yīng) 以下兩種情形均稱為量子尺寸效應(yīng)： 一是納米粒子尺寸小到某一值時(shí)，在費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象； 二是納米半導(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占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能級(jí)間隔變寬現(xiàn)象。 當(dāng)能級(jí)間隔大于熱能、磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，就必須要考慮量子尺寸效應(yīng)。 量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致納米微粒的磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著的不同。 例如，當(dāng)溫度為1K時(shí)， Ag納米微粒粒徑 14nm時(shí)，Ag納米微粒變?yōu)榻饘俳^緣體。2、小尺寸效應(yīng) 當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征

5、尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。 例如，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)向磁無(wú)序態(tài)轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變等。三、納米材料的熱學(xué)特性納米微粒的熔點(diǎn)、燒結(jié)溫度和晶化溫度均 比常規(guī)粉體低得多。這是納米微粒量子效應(yīng)造成的。四、納米材料的磁學(xué)特性 納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)，使其具有常規(guī)粗晶材料不具備的磁特性。 主要表現(xiàn)為：超順磁性、矯頑力、居里溫度和磁化率。 超順磁狀態(tài)的起因： 由于小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到與熱運(yùn)動(dòng)能可相

6、比時(shí)，磁化方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向作無(wú)規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。 例如，粒徑為85nm的納米鎳Ni微粒，矯頑力很高，而當(dāng)粒徑小于15nm時(shí)，其矯頑力Hc0，即進(jìn)入了超順磁狀態(tài)。五、納米材料的光學(xué)特性 1、寬頻帶強(qiáng)吸收 當(dāng)尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色，它們對(duì)可見(jiàn)光的反射率極低。這就是納米材料的強(qiáng)吸收率、低反射率。 例如，鉑金納米粒子的反射率為1%。 納米氮化硅、碳化硅及三氧化二鋁對(duì)紅外有一個(gè)寬頻帶強(qiáng)吸收譜。2、納米微粒分散物系的光學(xué)性質(zhì)和發(fā)光效應(yīng) 納米微粒分散于介質(zhì)中形成分散物系（溶膠），納米微粒稱為膠體（或分散相）。 由于在溶膠中膠體的高分散性和

7、不均勻性，使得分散物系具有特殊的光學(xué)特性，例如丁達(dá)爾效應(yīng)。 丁達(dá)爾效應(yīng)如果讓一束聚集的光線通過(guò)分散物系，在入射光的垂直方向上可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體。 另外，當(dāng)納米微粒的尺寸小到一定值時(shí)，可在一定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)光。這是載流子的量子限域效應(yīng)引起的。六、納米材料的應(yīng)用 由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，使得它在磁、光、電、敏感等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性，因此納米微粒在磁性材料、傳感、醫(yī)學(xué)、傳感、軍事等方面有廣泛的應(yīng)用。 1、磁性材料 2、光學(xué)應(yīng)用 3、生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 4、傳感材料 5、軍事上的應(yīng)用1、磁性材料 磁流體是磁性材料應(yīng)用的一個(gè)典型。 磁流體是使強(qiáng)磁

8、性超微粒子外包裹一層長(zhǎng)鏈的表面活性劑，穩(wěn)定地分散在基液中形成的膠體。 磁流體的特性具有固體的強(qiáng)磁性和液體的流動(dòng)性。 磁流體的應(yīng)用：磁密封、磁液揚(yáng)聲器、 磁記錄等 此外，還可作為光快門、光調(diào)節(jié)器、激光磁愛(ài)滋病毒檢測(cè)儀等儀器儀表材料；抗瘤藥物磁性載體、細(xì)胞磁分離介質(zhì)、復(fù)印機(jī)墨粉、磁性墨水等材料。2、光學(xué)應(yīng)用 納米策粒的小尺寸效應(yīng)使其具有與常規(guī)大塊材料不同的光學(xué)特性。如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過(guò)程中的能量損耗等都與納米微粒的尺寸的很大的依賴關(guān)系。 光學(xué)纖維 光纖在現(xiàn)代通信和光傳輸上占據(jù)極為重要的地位。而納米微粒作為光纖的材料可以降低光導(dǎo)纖維的傳輸損耗。關(guān)鍵是要經(jīng)過(guò)熱處理，經(jīng)過(guò)熱處理的光纖比

9、未經(jīng)過(guò)熱處理的光纖性能好得多。2、光學(xué)應(yīng)用 紫外吸收材料 納米微粒的量子尺寸效應(yīng)使它對(duì)某種波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象；納米微粒粉體對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。利用這兩種特性，人們制成納米紫外吸收材料。3、生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 納米微粒的尺寸一般比生物體的細(xì)胞、紅血球小得多，這就為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用提供了途徑。 生物應(yīng)用，主要在生物細(xì)胞分離、細(xì)胞內(nèi)部染色體等方面。生物細(xì)胞分離的目的，是快速獲取研究所需的細(xì)胞標(biāo)本。 醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，大體上說(shuō)，是將磁性納米粒子作為藥物的載體，靜脈注射到動(dòng)物體內(nèi)，在外加磁場(chǎng)的作用下，通過(guò)納米微粒的磁性導(dǎo)向，使其移向病變部位，達(dá)到定向治療的目的。4、傳感器材料 傳感器主要材料是金屬。一般超微粒金屬是黑色，它具有吸收紅外線的特點(diǎn)，且表面積大、表面活性高，對(duì)周圍環(huán)境變化十分敏感。 氣體