第二章納米材料及其基本性質詳解演示文稿

第二章納米材料及其基本性質詳解演示文稿當前第1頁\共有64頁\編于星期三\8點優(yōu)選第二章納米材料及其基本性質當前第2頁\共有64頁\編于星期三\8點3二、納米材料三維空間中至少有一維尺寸小于100nm的材料或由它們作為基本單元構成的具有特殊功能的材料。分類方法：維度（數(shù)）、材料的性質、結構、性能等3當前第3頁\共有64頁\編于星期三\8點42.1維數(shù)0維：

指在空間3維尺度均在納米尺度1維：指在空間有2維處于納米尺度2維：指在空間中有1維在納米尺度3維：納米固體，由納米微粒組成的體相材料ABC4當前第4頁\共有64頁\編于星期三\8點52.1維數(shù)0維：

指在空間3維尺度均在納米尺度51985年，科爾、科羅脫和斯麥利發(fā)現(xiàn)了C60團簇，也叫巴基球，C60直徑大約是1納米。當前第5頁\共有64頁\編于星期三\8點61維：指在空間有兩維處于納米尺度納米管納米線納米棒6當前第6頁\共有64頁\編于星期三\8點72維：指在空間中有1維在納米尺度7納米膜——納米膜分為顆粒膜與致密膜顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用于：氣體催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；平面顯示器材料；超導材料等。當前第7頁\共有64頁\編于星期三\8點83維：納米塊體材料由納米微粒組成的體相材料由大量納米微粒在保持表（界）面清潔條件下組成的三維系統(tǒng)，其界面原子所占比例很高單相微粒組成的納米相材料；兩種或以上的相微粒組成的納米復合材料8當前第8頁\共有64頁\編于星期三\8點92－D量子阱1－D量子線0－D量子點3－D大塊材料9當前第9頁\共有64頁\編于星期三\8點10按材料的性質、結構、性能、來源可有不同的分類方法化學組成：納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復合材料。按材料物性：納米半導體、納米磁性材料、納米非線性光學材料、納米鐵電體、納米超導材料按應用：納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。10當前第10頁\共有64頁\編于星期三\8點11三、納米粉體超微粉體微米粉體（1～100μm）亞微米粉體（0.1～1μm）納米粉體（1～100nm）（0.001～0.1μm）11納米微粒是指尺度處于1~100nm之間的粒子的集合體，是處于該幾何尺寸的各種粒子集合體的總稱。當前第11頁\共有64頁\編于星期三\8點12特性：1)粒度細2)比表面積大3)分布均勻4)表面活性高應用廣：高檔涂料新型陶瓷微電子及信息材料添加劑12當前第12頁\共有64頁\編于星期三\8點13納米粉體示例：納米金屬粉體（Cu）納米氧化物(金屬、非金屬、兩性)13當前第13頁\共有64頁\編于星期三\8點14納米金屬硫化物納米碳（硅）化物14當前第14頁\共有64頁\編于星期三\8點15【例】納米透明隔熱涂料

納米氧化銦錫、氧化錫銻、摻鋁氧化鋅

當前第15頁\共有64頁\編于星期三\8點16在可見光區(qū)均有較高的透過率(80%~90%),ITO用量提高,可見光透過率略有下降。在波長大于800nm的近紅外區(qū)透過率開始下降,波長在1500nm以上的紅外光透過率幾乎為零當前第16頁\共有64頁\編于星期三\8點17四、納米材料的研究內容系統(tǒng)地研究納米材料的微結構，通過和常規(guī)材料對比，找出納米材料特殊的規(guī)律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。發(fā)展新型納米材料。目前，納米材料應用的關鍵技術問題是在大規(guī)模制備的質量控制中,如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化。根據(jù)性質設計各種特殊功能納米材料。17當前第17頁\共有64頁\編于星期三\8點18表面效應小尺寸效應量子尺寸效應宏觀量子隧道效應第二節(jié)納米材料的基本性質物理性能化學性能表面活性及敏感性催化性能18當前第18頁\共有64頁\編于星期三\8點19一、表面效應納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而顯著增加，粒子的表面能及表面張力隨著增加，物理、化學性質發(fā)生變化。10納米1納米0.1納米隨著尺寸的減小，表面積迅速增大19當前第19頁\共有64頁\編于星期三\8點20粒度減小引起的表面效應（納米粒子）粒度減小比表面積增大粒度減小表面原子所占比例增大表面原子比物質內部原子具有更高的比表面能表面原子比物質內部原子具有更高活性和化學反應性

當前第20頁\共有64頁\編于星期三\8點21比表面：把物質分散成細小微粒的程度稱為分散度常用比表面來表示多相分散體系的分散程度單位質量的物質所具有的表面積單位體積的物質所具有的表面積21當前第21頁\共有64頁\編于星期三\8點22邊長l/m

立方體數(shù)比表面Av/（m2/m3）1×10-216×102

1×10-31036×103

1×10-51096×105

1×10-710156×107

1×10-910216×109

【例】把邊長為1cm的立方體1cm3逐漸分割成小立方體時，比表面增長情況列于下表：22《當前第22頁\共有64頁\編于星期三\8點2323表面原子所占比例增大表面能增大

在T和P組成恒定時，可逆地使表面積增加dA所需的功叫表面功《當前第23頁\共有64頁\編于星期三\8點24應用表面粒子活性高—>納米粉體活性高*納米微粒催化劑納米Ni作有機物氫化催化劑，比普通Ni催化劑效率高十倍*自潔玻璃:玻璃+納米TiO2涂層

----催化碳氫化合物的進一步氧化*汽車尾氣凈化劑

----納米Fe、Ni與r-Fe2O3混合燒結后可代替貴金屬24當前第24頁\共有64頁\編于星期三\8點25隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。

（1）特殊的光學性質

（2）特殊的熱學性質

（3）特殊的磁學性質

（4）特殊的力學性質25二、小尺寸效應當前第25頁\共有64頁\編于星期三\8點26小尺寸效應產(chǎn)生原因：當納米顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導

態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時晶體周期性的邊界條件被破壞，非晶態(tài)納米顆粒表面層

附近原子密度減小這將導致聲、光、電磁、熱力學等特性均會出現(xiàn)新的

尺寸效應26一質量m=0.05㎏的子彈,以速率v＝300m/s運動著,其德布羅意波長為多少?

當前第26頁\共有64頁\編于星期三\8點27

納米顆粒大的比表面導致了平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，使得界面極化，吸收頻帶展寬。在紅外光場作用下，納米顆粒對紅外吸收的頻率存在一個較寬的分布，導致納米顆粒的紅外吸收帶的寬化。1、寬頻帶強吸收2.1光學性質

27當前第27頁\共有64頁\編于星期三\8點28納米吸波復合材料高效光熱、光電轉換材料28當前第28頁\共有64頁\編于星期三\8點29

藍移：吸收帶向短波方向移動納米顆粒的吸收帶普遍存在“藍移”現(xiàn)象的原因：量子尺寸效應；表面效應2、藍移和紅移現(xiàn)象

29ＡBCD當前第29頁\共有64頁\編于星期三\8點303、納米粒子發(fā)光蝴蝶翅膀的色彩30產(chǎn)生原因：半導體具有窄的直接躍遷的帶隙，因此在光激發(fā)下電子容易躍遷引起發(fā)光當前第30頁\共有64頁\編于星期三\8點31Fe(OH)3膠體丁達爾效應示意圖光源凸透鏡光錐31當前第31頁\共有64頁\編于星期三\8點32優(yōu)點1.增加活性成分吸收率、使產(chǎn)品更好吸收、效果發(fā)揮更快2.使活性成分更精確的到達皮膚深層發(fā)揮作用3.大大降低刺激性及過敏發(fā)生機會4.較少的劑量就可以達到更高效率效果小體積效應引發(fā)的商機護膚品32當前第32頁\共有64頁\編于星期三\8點331、納米顆粒的熔點物質熔點下降金納米微粒的粒徑與熔點的關系2.2熱學性能33當前第33頁\共有64頁\編于星期三\8點34物質熔點下降的程度：△T：塊狀物質熔點(T0)與納米顆粒熔點(T)之差；γSL：為固液界面張力；ρ：密度；△H為熔化熱；r為顆粒粒徑。

納米顆粒熔點下降的原因：熔化時所需增加的內能小得多，這使得納米顆粒熔點急劇下降。

當前第34頁\共有64頁\編于星期三\8點352、納米顆粒的蒸汽壓上升式中：P、P0：分別為納米顆粒和塊狀物質的蒸汽壓；M：摩爾質量；R：為氣體常數(shù)；T：為絕對溫度35當前第35頁\共有64頁\編于星期三\8點363、納米顆粒的燒結溫度降低

原因：

界面具有高能量，在燒結中高的界面能成為原子運動的驅動力

36當前第36頁\共有64頁\編于星期三\8點374、納米顆粒的結晶溫度降低

納米顆粒開始長大的溫度隨粒徑的減小而降低，即非晶納米顆粒的晶化溫度降低。納米顆粒的熔點、開始燒結溫度和晶化溫度均隨粒徑的減少而有較大幅度的降低，而蒸汽壓則有較大幅度的升高。37當前第37頁\共有64頁\編于星期三\8點38納米顆粒的小尺寸效應、量子尺寸效應和表面效應等使得它具有常規(guī)固體材料所不具備的磁特性超微顆粒的磁特性可以歸納如下：超順磁性高矯頑力居里溫度

下降比磁化率2.3磁學性能參考書：納米材料和納米結構/張立德,牟季美著

科學出版社

200138當前第38頁\共有64頁\編于星期三\8點391）

矯頑力——納米顆粒尺寸高于超順磁臨界尺寸

時通常呈現(xiàn)高的矯頑力HC使已被磁化后的鐵磁體的磁感應強度降為零所必須施加的磁場強度39當前第39頁\共有64頁\編于星期三\8點402）超順磁性

當顆粒尺寸小到一定臨界值時，物質的磁化率隨著溫度的變化不會發(fā)生突變，即進入一種超順磁狀態(tài)特點是：納米顆粒的磁化率χ不再服從居里一外斯定律，χ在

居里點附近沒有明顯的突變值。C為居里常數(shù)；TC為居里溫度

（鐵電體從鐵電相轉變成順電相引的相變溫度）40當前第40頁\共有64頁\編于星期三\8點41【例】納米微粒的其它磁特性

①納米金屬Fe（5nm）飽和磁化強度比常規(guī)α－Fe低40％，其比飽和磁化強度隨粒徑的減小而下降②單晶FeF2由順磁轉變?yōu)榉磋F磁的奈耳溫度范圍很窄，只有2K，而納米FeF2（10nm）在78～88K由順磁轉變?yōu)榉磋F磁，即有一個寬達12K的奈耳溫度范圍；③1988年日本發(fā)現(xiàn)納米合金Fe－Si－Bi－Cu（20～50nm）具有好的軟磁性能，可用作高頻轉換器，其芯耗低至200mW／cm3，有效磁導率高于108。當晶粒度大于100nm時，上述軟磁性能消失。④Sb通常為抗磁性，其χ＜0，但納米微晶的χ＞0，表現(xiàn)出順磁性41當前第41頁\共有64頁\編于星期三\8點42生物導航能力的秘密海龜遷徙蜜蜂飛行磁感細菌42當前第42頁\共有64頁\編于星期三\8點43納米陶瓷納米銅2.4力學性能超塑延展性43當前第43頁\共有64頁\編于星期三\8點44當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)能級變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)軌道和最低被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬的現(xiàn)象44三、量子尺寸效應當前第44頁\共有64頁\編于星期三\8點451.原子中電子的能級量子化：量子力學中，某一物理量的變化不是連續(xù)

的，稱為量子化。如：各種元素都具有自己特定的光譜線，如氫原子

和鈉原子分立的光譜線。45當前第45頁\共有64頁\編于星期三\8點46對于宏觀物體包含無限個原子(即導電電子數(shù)N→∞)。久保公式：能級間距δ→0，費米能級(EF)大粒子或宏觀物體能級間距幾乎為零------以能帶形式存在462.電子能級的不連續(xù)性-久保理論當前第46頁\共有64頁\編于星期三\8點473.納米微粒的能級分裂納米微粒所包含原子數(shù)有限，N值很小，導致能級間距δ有一定的值，隨著N的減小，能級間距δ變大，即能級發(fā)生分裂。當能級間距大于熱能kBT、靜磁能μ0μBH、靜電能edE、光子能量hv或超導態(tài)的凝聚能時，必須要考慮量子尺寸效應，這會導致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導電性與宏觀特性有著顯著的不同。47當前第47頁\共有64頁\編于星期三\8點484.費米能級費米-荻拉克分布函數(shù)48能級間隔增大，費米能級附近的電子移動困難，從而使能隙變寬，金屬導體將變?yōu)榻^緣體。當前第48頁\共有64頁\編于星期三\8點4949說明：金屬費米能級附近電子能級一般是連續(xù)的，這一點只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立。對于只有有限個導電電子的超微粒子來說，低溫下能級是離散的。當前第49頁\共有64頁\編于星期三\8點50【例】：Ag微粒為例計算在1K時出現(xiàn)量子尺寸效應(導體—絕緣體)的臨界粒徑d0，Ag的電子密度：n=6x1022/cm3

，h為普朗克常數(shù)，6.63×10-34J?s，m為電子的靜止質量，9.108×10-31kg，由久保公式：已知：得到（ＥF費米能級）/kB=(1.45x10-18)/V(Kcm3)50當前第50頁\共有64頁\編于星期三\8點51如果取δ/kB=1K，微粒直徑為d，代入上式，求得d0＝14nm。根據(jù)久保理論，只有δ＞kBT(熱運動能)時才會產(chǎn)生能級分裂，從而出現(xiàn)量子尺寸效應，即/kB=(1.45x10-18)/V

>151當前第51頁\共有64頁\編于星期三\8點52由此得出，1K時，當粒徑do＜14nm，Ag納米微粒可以由導體變?yōu)榻^緣體，如果溫度高于1K，則要求do<<14nm才有可能變?yōu)榻^緣體。實驗表明，納米Ag的確具有很高的電阻，類似于絕緣體，這就是說，納米Ag滿足上述兩個條件。隨著尺度的降低，準連續(xù)能帶消失，在量子點出現(xiàn)完全分離的能級。52當前第52頁\共有64頁\編于星期三\8點53晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠的殼層發(fā)生交疊，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應的能級擴展為能帶535.能帶理論當前第53頁\共有64頁\編于星期三\8點54*禁帶（ForbiddenBand）：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶54當前第54頁\共有64頁\編于星期三\8點5555價帶（ValenceBand）：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電帶。導帶（ConductionBand）：價帶以上能量最低的允許帶稱為導帶。導帶的底能級表示為Ec，價帶的頂能級表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔為禁帶Eg當前第55頁\共有64頁\編于星期三\8點56半導體和金屬的原子、微粒和塊體的能帶結構。在半導體中，費米能級位于導帶和價帶之間，帶邊決定了低能光電性質，帶隙光激發(fā)強烈依賴于粒子的尺寸；而在金屬里，費米能級位于導帶的中心，導帶的一半被占據(jù)(圖中黑色部分)。金屬超細微粒費米面附近的電子能級變?yōu)榉至⒌哪芗?，出現(xiàn)能隙。56當前第56頁\共有64