納米材料特性

1、納米材料特性納米材料導(dǎo)論作業(yè)1、什么是納米材料？怎樣對(duì)納米材料進(jìn)行分類？答：任何至少有一個(gè)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(shuō)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(zhǎng)、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)、超

2、導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或投射深度等特征尺寸時(shí)，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(wú)序態(tài)；超導(dǎo)相轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｏ?；聲子譜發(fā)生改變等。例如，納米微粒的熔點(diǎn)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(shí)，具有很高的矯頑力；庫(kù)侖阻塞效應(yīng)等。二、量子效應(yīng)，當(dāng)能級(jí)間距6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(shí)，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(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)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占據(jù)分子軌道，能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子效

3、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(huì)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(lái)，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(wú)限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說(shuō)明，即稱體積效應(yīng)。久保理論對(duì)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(diǎn)？答：納米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：1）晶界具有大量未被原

4、子占據(jù)的空間或過(guò)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(dòng)要大于粗晶的晶間原子的熱振動(dòng)，晶界還存在有空位團(tuán)、微孔等缺陷，它們與旋錯(cuò)、晶粒內(nèi)的位錯(cuò)、李晶、層錯(cuò)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(cuò)的特點(diǎn)。答：納米材料的缺陷有：一、點(diǎn)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(cuò)，一種一維缺陷，位錯(cuò)的線長(zhǎng)度及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如李晶、層錯(cuò)等，這是一種二維缺陷。納米晶粒內(nèi)的位錯(cuò)具有尺寸效應(yīng)，當(dāng)晶粒小于某一臨界尺寸時(shí)，位錯(cuò)不穩(wěn)定，趨向于離開(kāi)晶粒，而

5、當(dāng)粒徑大于該臨界尺寸時(shí)，位錯(cuò)便穩(wěn)定地存在于晶粒內(nèi)。位錯(cuò)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(shí)，位錯(cuò)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(cuò)的作用開(kāi)始減小。2）當(dāng)晶粒尺寸在3050nm時(shí)可認(rèn)為基本上沒(méi)有位錯(cuò)行為。3）當(dāng)晶粒尺寸小于10nm時(shí)產(chǎn)生新的位錯(cuò)很困難。4）當(dāng)晶粒小于約2nm時(shí),開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)源的應(yīng)力達(dá)到無(wú)位錯(cuò)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(diǎn)物理氣相沉積將高溫的蒸氣在冷阱中冷凝或在襯底上沉積和生長(zhǎng)出低維納米材料的方法超細(xì)粉末，粉末的純度高，圓整度好，表面清潔，粒度分布比較集中缺

6、點(diǎn)是粉體的產(chǎn)生率低5相法化學(xué)氣相沉積當(dāng)前驅(qū)體氣相分子被吸附到局溫襯底表面時(shí)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(jí)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(guò)過(guò)濾、洗滌、烘干及焙燒，得到所需的納米氧化物粉體。純度高，均勻性好、設(shè)備簡(jiǎn)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(zhǎng)大粒子分散性好，但粒徑較大不易控制溶膠-凝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量的晶粒尺寸在納米量級(jí)的純金屬、合金

7、以及化合物投資少，生產(chǎn)效率高，不受尺中形狀的限制，可制成薄膜、涂層或塊體材料，所得樣品密度較局周相法機(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(jiǎn)單，但是生成的粉容易結(jié)團(tuán)，常需要二次粉碎大塑性父形壓力扭轉(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，但含后較大的殘余應(yīng)力，晶粒尺寸較大非晶晶化表面納米化熔融金屬快冷成非晶，控制晶化將材料的表層晶粒細(xì)化至納米量級(jí)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(shí)現(xiàn)材料表面納米化高密度、產(chǎn)量少，應(yīng)用

8、范圍有限大幅度提高了塊體材料的表面性能，可以實(shí)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)其它方法在合適的物理、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(guò)氫鍵、范德瓦爾斯鍵、靜電力等非共價(jià)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(guò)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(jià)值。自組裝技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到液相，氣相合成過(guò)程中?？梢宰越M裝成有序的排列結(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(guò)程，多種方法填充模板中的孔洞，以獲得具有模板孔洞尺和排列相同的納米材料或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、Z

9、nO單晶晶須陳歹(J、單晶Si納米線以及在每一個(gè)微孔中含有數(shù)個(gè)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(lái)完成納米級(jí)圖案的轉(zhuǎn)移可制備出多種材料的量子點(diǎn)和量子線陳列,可實(shí)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(diǎn)。答：一、彈性模量，納米晶的彈性模量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(shí)，規(guī)一化模量才開(kāi)始下降，晶粒很小時(shí)（小于5nm）時(shí)，彈性模量才大幅度下降。二、強(qiáng)度，由于Hall-Petch公式是建立在粗晶材料上的經(jīng)驗(yàn)公式，建立在位錯(cuò)理論基礎(chǔ)上的，而納

10、米材料本身位錯(cuò)的特點(diǎn)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(cuò)機(jī)制不起作用的情況下，在納米晶金屬的變形過(guò)程中，少有甚至沒(méi)有位錯(cuò)行為。此時(shí)晶界的行為可能起主要作用，這包括晶界的滑動(dòng)、與旋錯(cuò)有關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可能伴隨有由短程擴(kuò)散引起的自愈合現(xiàn)象。止匕外，機(jī)械學(xué)生也可能在納米材料變形過(guò)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(wú)論在低

11、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(wèn)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(jí)時(shí)，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(wú)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(shí)又具有高的韌性。通過(guò)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(zhǎng)的矛盾，創(chuàng)造高強(qiáng)度、高韌性統(tǒng)一的新

12、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(diǎn)？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(guò)改變電壓的方式能操縱電子一個(gè)一個(gè)地運(yùn)動(dòng)，這就是單電子效應(yīng)；主要特點(diǎn)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(guò)勢(shì)壘，即發(fā)生量子隧穿現(xiàn)象。產(chǎn)生單電子效應(yīng)的原理是當(dāng)隧穿條件不滿足時(shí)靜電場(chǎng)封鎖了電子通道，隧穿過(guò)程不能發(fā)生，即庫(kù)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(shì)遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度引起的漲落能，即e2/（2C）»kBT,否則單電子現(xiàn)象將被熱起伏所淹沒(méi)。其次，隧道結(jié)的電阻R必須遠(yuǎn)大于電阻量子Rk="

13、e2=25.8KQ。從而使兩次隧穿事件不重疊發(fā)生，從而保證電子一個(gè)一個(gè)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(chǎng)引起材料電阻變化的現(xiàn)象稱為磁電阻或磁阻效應(yīng)R：(H)(0)MR二二R(0)：(0)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(guò)50%的MR，且為各向同性，負(fù)效應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱為巨磁電阻(GiantMagntoresistanceGMR)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：非磁性隔離層鐵磁性m非磁性隔離層鐵磁性

14、ST其自旋方向相同的一個(gè)磁層后，遇到另一個(gè)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，多層膜處于高電阻狀態(tài)。當(dāng)外加磁場(chǎng)足夠大，原本反平行排列的各層磁矩都沿外場(chǎng)方向排列的情況。可以看出，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(guò)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材料的也降低以提高磁場(chǎng)傳感靈敏度，除了選用優(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)?，在很弱的磁?chǎng)下就可以實(shí)現(xiàn)僅使

15、自由層的磁場(chǎng)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(jí)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(guò)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(diǎn)。答：納米二氧化鈦的光催化原理是利用光來(lái)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(lái)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(kāi)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)對(duì)TiO2光