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1、几类常见的纳米材料及其性质,以纳米来命名材料是在上世纪80年代它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1nm100nm范围。在纳米材料发展初期纳米材料是指纳米颗料和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。,纳米材料及分类,表1 纳米材料的分类,纳米材料及分类,零维,指在空间三维尺度均在纳米尺度,一维,二维,按维数,纳米材料及分类,指在空间中有二维尺度处于纳米尺度,指在空间中有一维处于纳米尺度,纳米尺度颗粒、原子团簇,纳米丝、纳米棒、纳米管,超薄膜、多层膜，孔材料等,零维纳米材料,零维纳米材料,纳米粒子（nanoparticl
2、e）超微粒子（ultrafine particle）超微粉（ultrafine powder）烟粒子（smoke particle）团簇（cluster）纳米团簇（nano-cluster）,它们的尺寸范围稍有区别。纳米材料的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。,零维纳米材料,纳米粒子量子点纳米TiO2纳米Al2O3,纳米粒子,巨大的表面积和表面效应体积效应，尺寸诱导相变。,特性,Kubo认为纳米粒子由于尺寸的减小,将产生两方面的效应: 是表面效应(Surface effect)是体积效应(Volume effect) 因此,纳米粒子具有一系列不同于宏观块体的特
3、性。,零维纳米材料由于具有量子性也叫量子点，是一种直径在1100 nm 之间，能够接受激发光产生荧光的半导体纳米颗粒。,量子点,量子点,三维团簇尺寸大小都在纳米量级1100 nm 之间,人造原子光、电性质与原子相似、类似原子能级结构,库仑电荷效应有电子(或空穴)的排斥作用,常见量子点,量子点,ZnS 包裹CdSe QDs 在近紫外灯激发下的十种颜色变化. 从左至右由蓝变红激发波长分别在 443, 473, 481, 500, 518, 543, 565, 587, 610, 655 nm.,CdSe量子点的光学特性,Current Opinion in Biotechnology 2002,
4、13:4046,纳米二氧化钛,基本物性,环保方面的应用卫生保健方面的应用防结雾和自清洁涂层光催化化学合成,纳米TiO2的应用,光催化剂,有机污染物的处理 无机污染物的处理 1. 光催化能够解决Cr6+、Hg2+、Pb2+等重金属子的污染问题 2. 光催化还可分解转化其它无机污染物，如CN-、NO2-、H2S、 SO2, NOx等室内环境净化,环保,纳米TiO2的应用,卫生保健,灭杀细菌和病毒,纳米TiO2的应用,使致癌细胞失活,可以用于生活用水的的杀菌消毒；负载TiO2 光催化剂的玻璃、陶瓷等是医院、宾馆、家庭等各种卫生设施抗菌除臭的理想材料,在紫外光照射下，水在氧化钛薄膜上完全浸润。因此，在
5、浴室镜面、汽车玻璃及后视镜等表面涂覆一层氧化钛可以起到防结雾的作用,TiO2薄膜,有机污垢,无机污垢,CO2 H2O,防结雾,自清洁涂层,纳米TiO2的应用,在窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛在太阳光照射下产生的强氧化能力和超亲水性，可以实现表面自清洁,氧化铝是白色晶状粉末，已经证实氧化铝有、和等十一种晶体。不同的制备方法及工艺条件可获得不同结构的纳米氧化铝：、和型氧化铝，其特点是多孔性、高分散、高活性，属活性氧化铝；另外还有、型氧化铝；,纳米氧化铝,Al2O3 ，其比表面低，具有耐高温的惰性，但不属于活性氧化铝，几乎没有催化活性；Al2O3、A
6、l2O3 的比表面较大，孔隙率高、耐热性强，成型性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。Al2O3在自然界中以刚玉形式存在，其硬度约为，仅次于金刚石和碳化硅，利用这个特性可制做钻头砂轮、锉刀和轴承等。,纳米氧化铝,用特种工艺制成的高纯纳米氧化铝是一种粒径为 的超细粉体，由于纯度高、颗粒细小且分布均匀，其表面电子结构和晶体结构发生较大的变化，使纳米化铝具有特殊的表面和界面效应，临界尺寸效应、量子尺寸效应和量子遂道效应等， 因而呈现出一系列独特的光、电、热、力学等方面的性质，从而使其具有更优异的特性和广泛的应用前景。,纳米氧化铝,纳米Al2O3的
7、应用,一维纳米材料,一维纳米材料,准一维纳米材料是在二维方向上为纳米尺度，长度上为宏观尺度的新型材料(如纳米管、纳米棒等),一维的纳米材料NF(nanofibers)由准一维纳米材料发展而来,它既是研究其他低维材料的基础，又与纳米电子器件及微型传感器密切相关可能在纳米导线、开关、线路及高性能光导纤维等方面发挥极大的作用,1970年 法国科学家就首次研制出直径为7nm的碳纤维。1985年 Kroto，Smalley等发现了C601991年 日本饭岛澄男用高分辨电子显微镜发现了碳纳米管,碳纳米管,标志着碳家族增加了两种新的同素异形体：富勒烯(Fullerene) C60和纳米碳管。,一般认为碳有三
8、种同素异形体：金刚石、石墨和无定形碳,(A) 椅形单壁碳纳米管(B) Z形单壁碳纳米管(C) 手性单壁碳纳米管,碳纳米管结构示意图,(D) 螺旋状碳纳米管，(E) 多壁碳纳米管截面图,碳纳米管的结构,单壁碳纳米管,多壁碳纳米管,碳纳米管的性质,像头发一样的单层碳纳米管,纳米碳管中注入有富勒烯的原型,碳纳米管作骨架制作的立体结构图,碳纳米管花瓣,直径约80m的“雏菊”,碳纳米管的特性,力学性能,电磁性能,光学性能,热学性能,其它,极高的强度、韧性和弹性模量弹性模量可达1Tpa增强体可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，,碳纳米管的特性,力学性能,电磁性能,碳纳米管可能是导体，也可能是半导
9、体,大约有1/ 3是金属导电性的，而2/ 3是半导体性的。,导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角,扶手椅方向(armchair) 和锯齿面方向(zig),碳纳米管轴向磁感应系数是径向的111倍，超出C60近30倍。,光学性能,单壁碳纳米管的发光强度随发射电流的增大而增强。,多壁碳纳米管的发光位置主要限制在面对着电极的部分，发光强度也是随着发射电流的增大而增强。,在室温条件下，碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波，能以新的频谱发射光波，还能发射与原来频谱完全相同的光波,单壁管膜的光吸收随压力的增大而减弱，其原因主要是压力的变化能够导致管的对称性的变化。,多壁碳纳米管层与层之间的振动耦合很弱，每一层可以单
10、独考虑并具有理想的二维声子结构,热学性能,热导率在120K以下与温度成平方关系，120K以上趋于线性。,热扩散率在120K以下为线性，而120K以上趋于不变。,从热导率和热扩散率这两个全温区非线性的物理量推出的比热容在整个测量温区表现出良好的线性,碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷，使其局部区域呈现异质结特性。,其它整流效应,不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应，有近乎理想的整流效应,纳米碳管的应用,若用CNT代替碳黑,场致发射材料,场致发射显示器,纳米碳管的应用,CNT代替碳黑,添加量只需0.01%0.004%,已用于汽车工业,可以用于制造飞机机翼的抗静电罩,
11、代替目前采用的ITO导电玻璃，以克服ITO的脆性和与塑料难粘附的缺点。,场致发射材料,它作为电子枪时比Si和W更优越,多壁碳纳米管(MWNT)场致发射源的亮度可比现有的电子源高30倍,纳米碳管的应用,场致发射显示器,与液晶显示器相比,低功耗,低电压,薄型化,平板化,能在恶劣条件下工作,纳米碳管的应用,目前存在的主要问题,合成的碳纳米管纯度不高、均匀性差溶解性差化学选择性差未知的毒性,功能化的方法可以解决,除碳纳米管之外一维纳米材料包括人们熟知的纳米棒、金属(如上所述)及半导体纳米线、同轴纳米电缆、纳米带等。,非碳纳米管,纳米管BN、MoS2、WS2,纳米棒SiC、Si3N4,纳米丝Si、SiO
12、2、SiC,纳米带ZnO、In2O3、CdO、PbO,纳米电缆SiC,几种常见一维非碳纳米管类型,目前报道的非碳纳米管有几十种，相关文章有上千篇！,现已合成的非碳一维纳米线,一维WS2纳米线应用于AFM针尖,传统针尖：微米级,WS2针尖：纳米级,Au、Ag等贵金属纳米线具有优异的电学性能，可用于制作纳米电路器件;W、Mo 等难熔金属纳米线具有出色的场发射性能，可作为场发射电子器件。,一维金属纳米材料,集合了一维纳米材料及金属本身的特性,具备优异的物理和化学性能,纳米电子器件方面具有很大的应用潜力,纳米金,纳米金的SEM图片,纳米金,直径0.6nm、金丝呈螺旋状结构，是由3 到4 股相同螺旋的原
13、子链密堆地绕在一起的(图中A1和A2),直径1.6nm 时，纳米丝的结构转为多层壁的圆柱状(A4A6),0.5 3.0nm 的纳米金丝,复合纳米金,双分子纳米金聚集在多数TiO2(右下)表面的电镜图片(左下)和示意图(左上)形成了Au/TiO2,Au/TiO2的核-壳结构可设计使其等离激元共振吸收峰的位置位于光谱的近红外区,金纳米壳球体这一独特的光学性质，体现其人工设计的可控性，在药物缓释、免疫分析、癌症治疗和成像以及生物传感等很多领域,多呈杂乱无规分布， 相互之间缠绕严重， 难以分散;,一维非碳纳米结构材料的不足与建议,制得的产品中还含有很多其他杂质颗粒,目前制备的样品的长度只有几十微米，检
14、测条件苛刻,积极推进一维非碳纳米结构在信息、能源、环境、航空、医药卫生等,建立一维非碳纳米结构制备及其成核生长动力学模型;,大力发展其设计、优化组合及自组装等前沿技术;,重视一维非碳纳米结构与纳米器件之间的相关性;,不足,建议,二维纳米材料,二维纳米材料是指在空间中有一维处于纳米尺度如超薄膜、多层膜分类如下,二维纳米材料,纳米WO3 薄膜,二维纳米材料,纳米TiO2 薄膜,近年来,人们发现TiO2光催化材料还具有净化空气、杀菌、除臭、超亲水性等功能,已广泛应用于抗菌陶瓷、空气净化器、不用擦拭的汽车后视镜等领域。,纳米二氧化钛薄膜,1972 年Fujishima 等人发现受辐射的TiO2表面能发
15、生水的持续氧化还原反应以来,以TiO2为代表的光催化材料已得到广泛的研究,最初主要是利用TiO2的光催化作用进行太阳能转换,后来研究范围扩展到有机物合成、贵金属回收、废水处理、N2 和CO2 的还原等领域。,由于粉末状光催化剂TiO2存在易失活、难回收等缺点,使其应用受到限制。近年来,TiO2光催化薄膜得到广泛的研究。,纳米WO3 薄膜,WO3是典型的电致变色材料,具有高的变色效率和相对较低的价格,一直以来是人们首选的无机电致变色化合物,WO3 薄膜尤其是非晶态氧化钨薄膜有着广阔的应用前景,WO3不仅是典型的电致变色材料,也是一种常用的气敏材料,具有气致变色特性,WO3薄膜气致变色性能的研究与
16、应用,WO3 气致变色系统具有结构简单和变色范围宽(5 %75 %) 等优点,如对氢气而言,当WO3 薄膜材料与氢气接触时,常温下其颜色也会发生变化,很明显是因为薄膜的某些光学性能发生了变化。,氢气是一种易燃易爆气体,通过常温下测定WO3 薄膜光学参数的变化来确定氢气浓度,避免了目前所常用的测电学参数时需要加热加压等外加条件和电磁干扰等,从而提高了氢气传感器的安全性和选择性。,用WO3 薄膜制备光纤光学氢敏传感器,有着广阔的应用前景。,先将胶体表面的陈化膜转移出来发现新鲜的膜体表面均匀过一段时间以后,出现小的胶体粒子畴,并逐渐增多变大随着时间的增加,畴间距缩小,形成大块膜,纳米薄膜的结构,中科
17、院长春化学研究所研究了用胶体化学法制备的SnO2 纳米粒子膜的结构,薄膜的致密程度以及晶型与转移膜的悬挂状态和干燥时间有一定的联系,纳米薄膜的性能,力学性能,超模量,韧性,超硬度效应,耐磨性,好,尚待研究,光学性能,纳米薄膜的性能,蓝移和宽化,具有特殊的紫外-可见光吸收光谱,光的线性与非线性,当光强较弱时,介质的电极化强度与光波电场的一次方成正比的现象,在焦点附近由于单位面积上的光强增大,吸收系数也增大,在焦点处吸收系数达最大值。,电磁学特性,磁学特性,磁性能仍然不高,电学特性,电阻反常现象,随纳米Au 颗粒含量的增加,电阻不但不减小,反而急剧增加,巨磁电阻效应(GMR效应),气敏特性,如只对
18、醇敏感,纳米薄膜的性能,纳米介孔材料,纳米多孔材料的分类,孔径小于2nm,孔径在250nm之间,孔径大于50nm,微孔材料,介孔材料,大孔材料,定义：有序介孔材料是以表面活性剂分子聚集体为模板，利用溶胶凝胶工艺，通过有机物和无机物之间的界面作用组装生成的孔道规则、孔径介于2-50nm的多孔材料。,特性,比表面积大,介孔孔径均一可调,骨架结构稳定，易于掺杂其他组分,颗粒外形丰富多彩,内表面易于修饰,水、热稳定性较好,M41S系列介孔分子筛,Mobil公司首次成功合成M41S系列,MCM-41具有六方规整排列结构,一维孔道,孔分布均匀,且孔径可根据模板剂的选择,可在1.510nm之间调变,从此掀起
19、介孔材料研究的热潮,MCM-41 MCM-48 MCM-50,M41S系列纳米介孔材料的结构,纤维状 棒状 薄膜 球形 多面体,M41S系列纳米介孔材料的形貌,纯硅材料 有机-无机杂化材料 非硅材料,M41S系列纳米介孔材料的组成,介孔分子筛SBA-15,SBA-15的结构,较M41S系列具有更高的热和水热稳定性,介孔材料制备的另一里程碑,1998年赵东元合成了SBA-15,高度有序的六边形直孔结构，其孔径可以在550 nm 范围内变化,且孔壁较厚,有序介孔材料自诞生起就得到国际物理学、化学与材料界的高度重视，并迅速成为跨学科研究的热点之一,分子筛与多孔材料化学 徐如人 庞文琴等 科学技术出版
20、社 649-658,分离科学领域,有序介孔材料的应用,化工领域,直接用作催化剂 骨架引入Al或者Ti、V等金属离子-酸碱性和 氧化性催化剂载体 氧化/还原 ； 氢化 ；酸性催化 ；碱催化 ；卤化 ；生物催化 ；聚合 ；光催化,生物医药领域,细胞/DNA的分离控释药物酶、蛋白质等的固定与分离,一般生物大分子如蛋白质、酶、核酸等，当它们的分子质量大约在1100万之间时尺寸小于10nm，相对分子质量在1000万左右的病毒其尺寸在30nm左右。有序介孔材料的孔径可在250nm范围内连续调节和无生理毒性的特点使其非常适用于酶、蛋白质等的固定和分离。,Lei C H, et al, J American
21、Chemical Society , 2002,124:11242-11243,环境科学领域,降解有机废物：介孔TiO2比纳米TiO2有更高的比表面积气体吸附剂汽车尾气处理水质净化,介孔材料具有开放性孔道结构, 窄的孔径分布及很高的比表面积和孔容, 可作为良好的环境净化材料。,分离科学领域,吸附剂 分离无机物 分离有机小分子 分离生物大分子和药物分子,色谱固定相,有序介孔材料由于其孔径分布窄、比表面积大,作为色谱固定相。通常用作硅基质的色谱填料的多孔硅胶,其比表面积一般小于500 m2/ g，有序介孔硅胶的比表面可高达1600 m2/ g ,孔径分布窄,并且由于孔形状和大小均一而有利于传质,有
22、望成为具备良好分离能力的色谱填料。 目前用作HPLC 填料的有序介孔材料的主要有硅基MCM-41 、MSU-n、SBA-3 和SBA-15 以及非硅基的氧化锆。,徐丽 等，分析化学，2005，32（3）：374380,Dai S , et al. Chemical Communications, 2002,2680 2681,Gallis C W, et al. Studies in Surface Science and Catalysis, 2000, 129: 747755,功能材料领域,储能材料 有序介孔材料具有宽敞的孔道，可以在其孔道中原位制造出含碳或Pd等储能材料，增加这些储能材料
23、的易处理性和表面积，达到传递储能的效果。功能材料在纳米孔道内的组装 介孔材料高的比表面积、规则有序的较沸石类分子筛大的孔径以及表面丰富的硅醇键使之非常适宜作为主体材料进行金属、金属氧化物和金属有机化合物等客体材料在其孔道内的组装，从而形成主客体材料。如果客体材料具有催化活性，则介孔材料主体就是催化剂的一种特殊载体，催化剂全部或部分被负载于主体材料的孔道内，这种主客体材料也成为一类特殊的负载型催化材料。,NanodotsNanowiresNanorodsNanotubes,Pt,Au,GaN,Carbon,Yang C T,et al. J Physical Chemistry B ,2005,
24、109(38):17842-17847,Ryoo R, et al. Chemical Communications ,2003,17:2136-2137,不同形状的功能材料,前景展望,介孔分子筛是近年来材料科学领域兴起的一个前沿学科，已成为当今科学界研究的一个热点。近期的研究表明各种新型的介孔材料在化学、光电子学、电磁学、材料科学、环境科学、分离科学等诸多领域有着巨大的应用潜力。 相信，介孔分子筛功能材料将在二十一世纪材料科学的发展中发挥重要的作用。,纳米器件,纳米器件,环境,纳米结构反应器,生物、医药,纳米生物探测,新材料,药物分配器,表面积多孔材料,信息产业,纳米器件的应用,应用最多,信
25、息产业中的应用,纳米电子器件的分类,(1)纳米级CMOS器件,(2)量子效应器件；,(3)单电子器件,(4)单分子器件,(5)纳米传感器,(6)纳米集成电路,(7)纳米存储器,(8)纳米CMOS混合电路,单电子晶体管SET,虽然，将来SET 未必会取代传统电子学中的FET ，但已证实它们可用于极低噪声模拟应用,它对固态量子计算机也会是一个有用的读出器件,四个限制，即当信号能量、信号电荷、器件尺寸和器件尺寸,目前器件还不能完成的某一功能,共振隧穿二极管,RTD结构简单，却具有典型的量子输运现象的几乎全部因素,已成功建立正确且精确的RTD理论模型,实验制作RTD 已非难事,居于半导体科学和工程研究
26、前沿,共振隧穿二极管(RTD)的特点,(1)高频高速工作:隧穿机制和纳米尺寸决定了其高速度工作的本质；,(2)低工作电压、低功耗:RTD 工作电压在0.15V 左右，工作电流在A 级，用RTD 构成的静态随机存储器(SRAM) 单元功耗仅为50nW;,(3)负阻和自锁(self2latching)特性:负阻为RTD 的基本特性;,(4)只用少量器件完成多种逻辑功能:如构成一个异或(XOR)门，需要用33个晶体管2晶体管逻辑(TTL)，或16个互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，如用RTD只需4个器件。,分子电子器件,2001年12月21日，美国科学杂志将分子电子学所取得的一系列成就评为200
27、1年十大科技进展之首,分子导线,分子开关,分子整流器与场效应晶体管,分子电路,分子导线,分子导线必须满足下列条件：,目前研究的分子导线多是具有大共轭体系的有机分子长链。,导电;,有一个确定的长度;,含有能够连接到系统单元的连接点;,允许在其端点进行氧化还原反应;,与周围绝缘以阻止电子的任意传输。,分子开关,分子开关是指一种具有双稳态的分子，通过施加一定的影响，如光照、氧化还原、酸碱性的改变等，分子可以在两种状态之间进行可逆转换，这两种状态由于电阻的高低不同而对应于电路的通断。,轮烷和索烃是目前人们研究较多的两类双稳态分子,轮烷由一个环状的部分和一个棒状的部分组成，环可以以棒为轴进行旋转或沿棒的
28、方向滑动，棒的两端带有位阻较大的集团可以阻止环的脱落。 若在棒上引入两个不同的位点，当环停留于这两个不同的位点时，就对应了两种不同的状态。,分子整流器与场效应晶体管,1974 年Aviram和Ratner 关于分子整流器设想的提出。,1993 年，Ashwell 等人利用LB 膜技术以有机材料做成只有几个分子厚的薄层，能像整流器那样，只允许电流单方向流动，并从实验上证明了这种整流器的本质来源于分子作用。,中科院化学所刘云圻等合成了一系列含有电子给体(-NH2 ，-t-butyl )等； 和电子受体(-NO2，CN) 等的不对称酞菁，将它们组装为LB 膜，并利用STM 技术测量了它们的I - V
29、 曲线，证实了该类单酞菁分子也具有整流器的性质。,但是，由于场效应晶体管需要有三个终端，所以很难将器件做到分子水平。,人们首先在碳纳米管方面获得了突破，制成了由单个碳纳米管构成的场效应管，进而随着电极制作技术的发展，人们又制成了由单个C60分子构成的场效应管,一个含有两个V 离子的配合物分子连接在两个金电极之间构成的,中心离子为Co 的配合物分子连接在两个相隔12nm 的金电极之间构成的场效应管,最近报道,分子电路,人们组装了包含有机分子的逻辑电路。 这种可以作为存储器的电路使用了微流体技术。 使用这种技术可以得到由多根纳米管组成的平行阵列，然后在这一层纳米管上面可以附上一层具有分子开关功能的单分子膜，再用微流体技术在垂直于底层纳米管的方向上沉积一层纳米管。,这样，在每一个上下两根纳米管的交叉点上都有一束有机分子将两根纳米管连在一起。所用的有机分子可以用作分子开关，整个器件便可以用作可进行寻址的存储器。,纳米Si基量子异质结加工分子晶体管和导线组装纳米器件超高密度量子效应存储器纳米计算机的，互连问题，SPM纳米器件加工技术效率纳米，分子电子器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境,存在的问题和发展前景,谢谢大家！,
