納米半導(dǎo)體材料在光電領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米半導(dǎo)體材料在光電領(lǐng)域中的應(yīng)用周濟(jì)民5901109190機(jī)制094摘要：納米科學(xué)技術(shù)是當(dāng)今世界最有前途的決定性技術(shù)之一，而納米金屬是納米材料中的一個(gè)重要的組成部分。文章簡要地介紹了納米材料和納米技術(shù)的涵義，概述了納米金屬氧化鈦（TiO2）在光催化領(lǐng)域中具有的重要意義和作用及其在實(shí)際中的應(yīng)用！同時(shí)展望了納米金屬材料在光催化中的應(yīng)用前景！關(guān)鍵詞：納米技術(shù);納米金屬;氧化鈦（TiO2）;意義;應(yīng)用；前景Name:zhoujiminStudentNumber:5901109190Class:Mechanism094Abstract:Nanotscienceandnanotechnologiestheoneoftheworld'smostpromisingdecisivetechnology,andnano-metalisaimportantcomponentofnano-materials.ThearticlebrieflyoutlinesthemeaningofNano-materialsandnano-technology,thesignificanceandroleofTi02'spplicationinpractice,andtheprospectofnano-materialsapplicationsinPhotocatalytic.Keywords:nanotechnology;Nanometal;TiO2;Significance;Applications;Prospects納米發(fā)展小史1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德。費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后實(shí)現(xiàn)根據(jù)人類意愿逐個(gè)排列原子、制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米科技最早的夢想。1991年，美國科學(xué)家成功地合成了碳納米管，并發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量僅為同體積鋼的1/6,強(qiáng)度卻是鋼的10倍，因此稱之為超級(jí)纖維■這一納米材料的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志人類對材料性能的發(fā)掘達(dá)到了新的高度。1999年，納米產(chǎn)品的年?duì)I業(yè)額達(dá)到500億美元。什么是納米材料納米（nm）是長度單位，1納米是10-9米（十億分之一米），對宏觀物質(zhì)來說，納米是一個(gè)很小的單位，不如，人的頭發(fā)絲的直徑一般為7000-8000nm,人體紅細(xì)胞的直徑一般為3000-5000nm,—般病毒的直徑也在幾十至幾百納米大小，金屬的晶粒尺寸一般在微米量級(jí)；對于微觀物質(zhì)如原子、分子等以前用埃來表示，1埃相當(dāng)于1個(gè)氫原子的直徑，1納米是10埃。一般認(rèn)為納米材料應(yīng)該包括兩個(gè)基本條件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之間，二是材料此時(shí)具有區(qū)別常規(guī)尺寸材料的一些特殊物理化學(xué)特性。二、納米材料研究的特點(diǎn)1、納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大第一階段主要集中在納米顆粒（納米晶、納米相、納米非晶等）以及由它們組成的薄膜與塊體，到第三階段納米材料研究對象又涉及到納米絲、納米管、微孔和介孔材料（包括凝膠和氣凝膠），例如氣凝膠孔隙率高于90%，孔徑大小為納米級(jí)，這就導(dǎo)致孔隙間的材料實(shí)際上是納米尺度的微粒或絲，這種納米結(jié)構(gòu)為嵌鑲、組裝納米微粒提供一個(gè)三維空間。納米管的出現(xiàn)，豐富了納米材料研究的內(nèi)涵，為合成組裝納米材料提供了新的機(jī)遇。納米材料的概念不斷拓寬1994年以前，納米結(jié)構(gòu)材料僅僅包括納米微粒及其形成的納米塊體、納米薄膜，現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)的材料的含意還包括納米組裝體系，該體系除了包含納米微粒實(shí)體的組元，還包括支撐它們的具有納米尺度的空間的基體，因此，納米結(jié)構(gòu)材料內(nèi)涵變得豐富多彩。納米材料的應(yīng)用成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)經(jīng)過第一階段和第二階段研究，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米材料所具備的不同于常規(guī)材料的新特性，對傳統(tǒng)工業(yè)和常規(guī)產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生重要的影響。日本、美國和西歐都相繼把實(shí)驗(yàn)室的成果轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國際上已有20多個(gè)納米材料公司經(jīng)營粉體生產(chǎn)線，其中陶瓷納米粉體對常規(guī)陶瓷和高技術(shù)陶瓷的改性、納米功能涂層的制備技術(shù)和涂層工藝、納米添加功能油漆涂料的研究、納米添加塑料改性以及納米材料在環(huán)保、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，磨料、釉料以及紙張和纖維填料的納米化研究也相繼展開。納米材料及其相關(guān)的產(chǎn)品從1994年開始已陸續(xù)進(jìn)入市場，所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益以20%速度增長。三、納米材料的發(fā)展趨勢加強(qiáng)控制工程的研究在納米材料制備科學(xué)和技術(shù)研究方面一個(gè)重要的趨勢是加強(qiáng)控制工程的研究，這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結(jié)構(gòu)的控制。由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)都同時(shí)在起作用，它們對材料某一種性能的貢獻(xiàn)大小、強(qiáng)弱往往很難區(qū)分，是有利的作用，還是不利的作用更難以判斷，這不但給某一現(xiàn)象的解釋帶來困難，同時(shí)也給設(shè)計(jì)新型納米結(jié)構(gòu)帶來很大的困難。如何控制這些效應(yīng)對納米材料性能的影響，如何控制一種效應(yīng)的影響而引出另一種效應(yīng)的影響，這都是控制工程研究亟待解決的問題。國際上近一兩年來，納米材料控制工程的研究主要有以下幾個(gè)方面：一是納米顆粒的表面改性，通過納米微粒的表面做異性物質(zhì)和表面的修飾可以改變表面帶電狀態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和粗糙度；二是通過納米微粒在多孔基體中的分布狀態(tài)（連續(xù)分布還是孤立分布）來控制量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)；三是通過設(shè)計(jì)納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無序陣列）來獲得所需要的特性。近年來引人注目的幾具新動(dòng)向（1）納米組裝體系藍(lán)綠光的研究出現(xiàn)新的苗頭。日本Nippon鋼鐵公司閃電化學(xué)陽極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅，發(fā)現(xiàn)了藍(lán)綠光發(fā)光強(qiáng)度比6H碳化硅晶體高100倍：多孔硅在制備過程中經(jīng)紫外輻照或氧化也發(fā)藍(lán)綠光；含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390nm波長光激發(fā)下發(fā)射極強(qiáng)的藍(lán)綠光，比多孔Si的最強(qiáng)紅光還高出1倍多，250nm波長光激發(fā)出極強(qiáng)的藍(lán)光。巨電導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)。美國霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家在SiO2一Au的顆粒膜上觀察到極強(qiáng)的高電導(dǎo)現(xiàn)象，當(dāng)金顆粒的體積百分比達(dá)到某臨界值時(shí)，電導(dǎo)增加了14個(gè)數(shù)量級(jí)；納米氧化鎂銦薄膜經(jīng)氫離子注入后，電導(dǎo)增加8個(gè)數(shù)量級(jí)；顆粒膜巨磁電阻尚有潛力。1992年，納米顆粒膜巨磁電阻發(fā)現(xiàn)以來，一直引起人們的關(guān)注，美國布朗大學(xué)的科學(xué)家最近在4K的溫度下,幾個(gè)特斯拉的磁場，R/R上升到50%,目前這一領(lǐng)域研究追求的目標(biāo)是提高工作溫度，降低磁場。如果在室溫和零點(diǎn)幾特斯拉磁場下，顆粒膜巨磁阻能達(dá)到10%，那么就將接近適用的使用目標(biāo)。目前國際上科學(xué)家們正在這一領(lǐng)域努力。納米組裝體系設(shè)計(jì)和制造有新進(jìn)展。美國加利福尼亞大學(xué)化學(xué)工程系成功地把納米AU顆粒組裝到DM的分子上形成納米晶分子組裝體系；美國利用自組裝技術(shù)將幾百支單壁納米碳管組成晶體索"Ropes"，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小于10—4W/cm；將納米三碘化鉛組裝到尼龍(nylon—11)上，在X射線照射下具有強(qiáng)的光電導(dǎo)性能，利用這種性能為發(fā)展數(shù)字射線照相奠定了基礎(chǔ)。1堿性鋅錳電池材料11納米級(jí)丫-MnO2夏熙等利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應(yīng)法合成制得納米級(jí)YMnO2用作堿錳電池正極材料。發(fā)現(xiàn)純度不佳，但與EMD以最佳配比混合,可大大提高第2電子當(dāng)量的放電容量，也就是可出現(xiàn)混配效應(yīng)。若制得的納米YMnO2純度高時(shí)，本身的放電容量即優(yōu)于EMD。12摻Bi改性納米MnO2夏熙等通過加入Bi2O3合成得到改性MnO2,采用納米級(jí)和微米級(jí)改性摻BiMnO2混配的方法，放電容量都有不同程度的提高，并且存在一個(gè)最佳配比。通過摻Bi在充放電過程中形成一系列不同價(jià)態(tài)的BiMn復(fù)合物的共還原和共氧化，有效抑制Mn3O4的生成，可極大地改善電極的可充性。13納米級(jí)a-MnO2采用固相反應(yīng)法合成不含雜質(zhì)陽離子的納米aMnO2,粒徑小于50nm,其電化學(xué)活性較高,放電容量比常規(guī)粒徑EMD更大,尤其適于重負(fù)荷放電，表現(xiàn)出良好的去極化性能，具有一定的開發(fā)和應(yīng)用潛力。4納米級(jí)ZnO堿錳電池中的電液要加入少量的ZnO,以抑制鋅負(fù)極在電液中的自放電。ZnO在電液中的分散越均勻，越有利于控制自放電。納米ZnO在我國已應(yīng)用于醫(yī)藥等方面。由于堿錳電池朝著無汞化發(fā)展，采用納米ZnO是可選擇的方法之一。應(yīng)用的關(guān)鍵是要注意納米ZnO材料的表面改性問題。5納米級(jí)In2O3In2O3是堿錳電池的無機(jī)代汞緩蝕劑的選擇之一，目前已開發(fā)并生產(chǎn)出無汞堿錳電池用高純納米In2O3,該材料具有比表面積大，分散性好,緩蝕效果更佳的特點(diǎn)，應(yīng)用于無汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產(chǎn)生的作用。在MH/Ni電池中的應(yīng)用1納米級(jí)Ni(OH)2周震等人用沉淀轉(zhuǎn)化法制備了納米級(jí)Ni(OH)2，并發(fā)現(xiàn)納米級(jí)Ni(OH)2比微米級(jí)Ni(OH)2具有更高的電化學(xué)反應(yīng)可逆性和更快速的活化能力。采用該材料制作的電極在電化學(xué)氧化還原過程中極化較小，充電效率高，活性物質(zhì)利用更充分,而且顯示出放電電位較高的特點(diǎn)。趙力等人用微乳液法制備納米BNi(OH)2,粒徑為40?70nm。該方法較易控制納米顆粒粒徑大小，并且所制得的納米材料呈球型或橢球形，適用于某些對顆粒狀有特殊要求的場合，如作為氫氧化鎳電極的添加劑，按一定比例摻雜，可使Ni(OH)2的利用率顯著提高，尤其當(dāng)放電電流較大時(shí),利用率可提高12%。22納米晶貯氫合金陳朝暉等利用電弧熔煉高能球磨法制備出納米晶LaNi5[6],平均粒徑約20nm,采用該材料制備的電極與粗晶LaNi5制備的電極相比,具有相當(dāng)?shù)姆烹娙萘浚玫幕罨匦?但其循環(huán)壽命較短。3鋰離子電池材料1陰極材料 納米LiCoO2夏熙等用凝膠法制備的納米LiCoO2,放電容量為103mAh/g,充電容量為109mAh/￡,長平臺(tái)在39V處,有明顯提高放電平臺(tái)的效果，循環(huán)穩(wěn)定性也大為提高,但未見有混配效應(yīng)。低熱固相反應(yīng)法合成納米LiCoO2,發(fā)現(xiàn)了混配效應(yīng):以一定比例與常規(guī)LiCoO2進(jìn)行混配，做成電池測試,充電容量可達(dá)132mAh/g，放電容量為125mAh/g，放電平臺(tái)在39V,由于納米顆粒增大了比表面積，令Li+更易嵌入和脫出，削弱了極化現(xiàn)象，循環(huán)性能比常規(guī)LiCoO2明顯提高,顯示出較好的性能。32納米陽極材料中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所'碳納米管和其它納米材料〃的研究工作取得了階段性成果。制得的碳納米管層間距離為034nm,略大于石墨的層間距0335nm,這有利于Li+的嵌入和脫出，它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使Li+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入,而且可防止因溶劑化Li+的嵌入引起石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。實(shí)驗(yàn)表明，用該材料作為添加劑或單獨(dú)用作鋰離子電池的負(fù)極材料均可顯著提高負(fù)極材料的嵌Li+容量和穩(wěn)定性。中國科學(xué)院金屬研究所等用有機(jī)物催化熱解法制備出單壁納米碳管和多壁納米碳管。他們的研究表明用納米碳管作為電極，比容量可達(dá)到1100mAh/g,且循環(huán)性能穩(wěn)定。香港科技大學(xué)用多孔的沸石晶體作載體，首次成功研制出尺寸最小，全球最細(xì)且排列規(guī)整的04nm單壁納米碳管，繼而又發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)溫度15°C以下呈現(xiàn)出特殊的一維超導(dǎo)特性4電容器材料由可充電電池和電容器共同組合的復(fù)合電源系統(tǒng)引起了人們的濃厚興趣，特別是環(huán)保電動(dòng)汽車研究的興起，這種復(fù)合電源系統(tǒng)可在汽車啟動(dòng)、爬坡、剎車時(shí)提供大功率電源，因而可以降低電動(dòng)車輛對蓄電池大功率放電的限制要求，大大延長蓄電池循環(huán)使用壽命，從而提高電動(dòng)汽車的實(shí)用性。近年來以納米碳管為代表的納米碳材料的研究和作為電極材料的應(yīng)用，為更高性能的電化學(xué)超級(jí)電容器的研究開辟了新的途徑。清華大學(xué)用催化裂解丙烯和氫氣混合氣體制備碳納米管原料，再采用添加粘結(jié)劑或高溫?zé)釅旱墓に囀侄沃苽涮技{米管固體電極,通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚频玫奶技{米管電極具有極高的比表面積利用率。用納米碳管和RuO2的復(fù)合電極制備雙電層法拉第電容器，在納米碳管比表面積為150m2/g時(shí)，電容量可達(dá)20F/g左右。清華大學(xué)已經(jīng)制備出電容量達(dá)100F的實(shí)驗(yàn)室樣品。在充分利用納米材料的表面特性和中空結(jié)構(gòu)上，納米碳管是目前最理想的超級(jí)電容器材料。參考文獻(xiàn)：張立德。牟季美.納米材料與納米結(jié)構(gòu)，科學(xué)出版社,2001.S.C.Tsang,Y.K.Chen,P.J.Harries,Nature1994,372,159.張立德。牟季美.納米材料學(xué)，沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.劉吉平，郝向東?納米科學(xué)與技術(shù)?北京：高等教育出版社，2002.薛增泉.納米科技探索.北京：清華大學(xué)出版社，2002?9?ShinJY.OhJH.IEEETran