《功能材料學(xué)概論》納米材料(1)ppt課件

1、第一第一節(jié)節(jié) 納納米米資資料和料和納納米技米技術(shù)簡(jiǎn)術(shù)簡(jiǎn)介介第二第二節(jié)節(jié) 納納米粉體米粉體資資料料第三第三節(jié)節(jié) 納納米米塊塊體體資資料料 第一第一節(jié)節(jié) 納納米米資資料和料和納納米技米技術(shù)簡(jiǎn)術(shù)簡(jiǎn)介介納納米米資資料和料和納納米技米技術(shù)術(shù)的的興興起與開(kāi)展起與開(kāi)展納納米米資資料的分料的分類(lèi)類(lèi)納納米米資資料的根本性料的根本性質(zhì)質(zhì)第二第二節(jié)節(jié) 納納米粉體米粉體資資料料第三第三節(jié)節(jié) 納納米米塊塊體體資資料料 mmmmnm96310101011.納米資料和納米技術(shù)的興起與開(kāi)展“There is a plenty of room at the bottom Richard P. Feynman . Why can

2、not we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? Lets see what would be involved. The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encycl

3、opaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch-that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in

4、 the Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter-32 atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms .Karlsruhe研討中心主席納米技術(shù)研討所首任所長(zhǎng)H. Gleiter 20世紀(jì)80年代初期，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家GBinning和HRohrer發(fā)明

5、了掃描隧道顯微鏡。 STM：直接察看到物質(zhì)外表的原子構(gòu)造 根本原理：量子隧道效應(yīng)用一個(gè)極細(xì)的針尖接近樣品外表，當(dāng)針尖和外表靠得很近時(shí)(1nm)，假設(shè)在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓、電子便會(huì)經(jīng)過(guò)針尖和樣品構(gòu)成的勢(shì)壘而構(gòu)成隧道電流STM具有原子級(jí)的空間分辨率和廣泛的適用性，推進(jìn)了納米科技的開(kāi)展。 STM針尖硅外表 利用探針針尖與外表之間的各種相互作用，可以用來(lái)分析高分辨率成像。 1986年Binning等人發(fā)明了原子力顯微鏡AFM STM 與ATM共同構(gòu)成了現(xiàn)今稱(chēng)之為掃描探針顯微鏡SPM的兩大主體技術(shù)。19901990年年IBMIBM在在NiNi外表用外表用3535個(gè)氙原個(gè)氙原子排出子排出“IBM“

6、IBMC60 銅外表STM和AFM：觀測(cè)到原子在物質(zhì)外表的陳列形狀，對(duì)外表科學(xué)、資料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研討有著艱苦意義和重要運(yùn)用價(jià)值G.Binning和H.Rohrer與電子顯微鏡的創(chuàng)制者E.Ruska教授一同榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。Ernst Ruska Gerd BinnigHeinrich Rohrer for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope for their design of the scanning tunnel

7、ing microscopeIBM Zurich Research Laboratory Rschlikon, Switzerland .Just imagine, materials with 10 times the strength of steel and only a fraction of the weight; shrinking all the information at the Library of Congress into a device the size of a sugar cube; detecting cancerous tumors that are onl

8、y a few cells in size .納米資料和納米技術(shù) 納米資料：由尺寸在納米資料：由尺寸在1 1100nm100nm間的粒子或晶粒組成的資料。間的粒子或晶粒組成的資料。 處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的微處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的微觀和宏觀的觀念看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典觀和宏觀的觀念看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)型的宏觀系統(tǒng) 將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒納米級(jí)后，將顯示出將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒納米級(jí)后，將顯示出許多奇特的特性，即光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化許多奇特的特性，即光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的

9、性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同納米技術(shù)是90年代初迅速開(kāi)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域。它是指在1-100nm尺度內(nèi)，研討電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性的高新技術(shù)學(xué)科。其最終目的是人類(lèi)按照本人的意志直接支配單個(gè)原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)主要包括為微型電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)(minisize electromotion mechanism system，MEMS)；納米電子學(xué)和納米生物藥物學(xué)等。 納米技術(shù)：第一第一節(jié)節(jié) 納納米米資資料和料和納納米技米技術(shù)簡(jiǎn)術(shù)簡(jiǎn)介介納納米米資資料和料和納納米技米技術(shù)術(shù)的的興興起與開(kāi)展起與開(kāi)展納納米米資資料的分料

10、的分類(lèi)類(lèi)納納米米資資料的根本性料的根本性質(zhì)質(zhì)第二第二節(jié)節(jié) 納納米粉體米粉體資資料料第三第三節(jié)節(jié) 納納米米塊塊體體資資料料 2. 納米資料的分類(lèi)：納米微粒納米固體納米自組裝體系 a. 納米微粒納米粉體納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級(jí)的超細(xì)微粒，它的尺度大于原子簇(cluster)，小于通常的微粒。通常，把僅含幾個(gè)到數(shù)百個(gè)原子或尺度小于1nm的粒于稱(chēng)為“簇，它是介于單個(gè)原子與固態(tài)之間的原子集合體。 10-1010-910-810-710-610-510-4電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡原子分子團(tuán)簇納米顆粒超微顆粒粉體宏觀體系介觀體系微觀體系各種顆粒的粒徑范圍納米固體是由納米微粒聚集而成的凝聚體與普通資料相比，

11、納米資料的界面體積顯著提高b. 納米固體納米固體的分類(lèi)：按幾何形狀分：按幾何形狀分：納米纖維資料納米纖維資料納米薄膜資料納米薄膜資料納米塊體資料納米塊體資料按組成相數(shù)分：按組成相數(shù)分：納米相資料納米相資料納米復(fù)合資料納米復(fù)合資料納米固體分類(lèi)表示圖 c. 納米組裝體系納米組裝體系研討的特點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)按人們的志愿設(shè)計(jì)、組裝、發(fā)明新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。第一第一節(jié)節(jié) 納納米米資資料和料和納納米技米技術(shù)簡(jiǎn)術(shù)簡(jiǎn)介介納納米米資資料和料和納納米技米技術(shù)術(shù)的的興興起與開(kāi)展起與開(kāi)展納納米米資資料的分料的分類(lèi)類(lèi)納納米米資資料的根本性料的根本性質(zhì)質(zhì)第二第二節(jié)節(jié) 納納米粉體米粉體資資料料第三第三

12、節(jié)節(jié) 納納米米塊塊體體資資料料 3. 3. 納米資料的根本性質(zhì)納米資料的根本性質(zhì)小尺寸效應(yīng) 外表與界面效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變，當(dāng)納米微粒的尺寸與光波的波長(zhǎng)、超導(dǎo)態(tài)的相關(guān)長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí), 周期性的邊境條件將被破壞，聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性均會(huì)出現(xiàn)量變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱(chēng)為小尺寸效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比外表積亦顯著添加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。1 特殊的光學(xué)性質(zhì)2 特殊的熱學(xué)性質(zhì)3 特殊的磁學(xué)性質(zhì)4特殊的力學(xué)性質(zhì) 納米微粒尺寸小、外表大，位于外表的原子占相當(dāng)大的比例。以下圖外表原子數(shù)占全部原子數(shù)

13、的比例和粒徑之間的關(guān)系。外表與界面效應(yīng)外表原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)延續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的景象稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。能帶實(shí)際闡明，金屬費(fèi)米能級(jí)附近電子能級(jí)普通是延續(xù)的，這一點(diǎn)只需在高溫或宏觀尺寸情況下才成立。對(duì)于只需有限個(gè)導(dǎo)電電子的超微粒子來(lái)說(shuō)，低溫下能級(jí)是離散的。 量子尺寸效應(yīng)日本科學(xué)家Kubo提出過(guò)能級(jí)間距的計(jì)算方法，并給出著名公式NEF34為能級(jí)間距，EF為費(fèi)米能級(jí)；N為總電子數(shù)。20世紀(jì)50年代注重微米技術(shù)的國(guó)家，如今都去得了很大的開(kāi)展，同樣，如今注重納米科技的國(guó)家，將在21世紀(jì)獲得高速開(kāi)展。一 . 納米粉體資料的特性二 .

14、 納米粉體資料 納米碳管三. 納米氧化物粉體資料的運(yùn)用四. 納米粉體資料的表征五. 納米粉體資料的制備熱學(xué)特性 熔點(diǎn)降低 燒結(jié)溫度降低 光學(xué)特性 寬頻帶強(qiáng)吸收 紅移和藍(lán)移 熱學(xué)特性：Au的熔點(diǎn)：1336K；2nm的金粒子約在327K開(kāi)場(chǎng)熔化Ag的熔點(diǎn)：1233K，銀納米粒子在低于熔點(diǎn)373K熔化Pb的熔點(diǎn)：600K， 20nm的鉛粒子約在312K開(kāi)場(chǎng)熔化Cu的熔點(diǎn)：1326K ，40nm的銅粒子約在1023K開(kāi)場(chǎng)熔化。 a. 熔點(diǎn)降低Wronski計(jì)算出Au微粒的粒徑與熔點(diǎn)的關(guān)系： 納米微粒的熔點(diǎn)比常規(guī)粉體低得多。這是由于納米微粒的尺寸小，外表能高、比外表原子數(shù)多，這些外表原子近鄰配位不全，活

15、性大以及體積遠(yuǎn)小于大塊資料。納米粒子熔化時(shí)所需添加的內(nèi)能小得多。這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。 b. 燒結(jié)溫度降低所謂燒結(jié)溫度是指把粉末先用高壓壓制成形，然后在低于熔點(diǎn)的溫度下使這些粉末相互結(jié)合，密度接近于資料的實(shí)際密度的溫度。 常規(guī)A12O3燒結(jié)溫度在2073-2173K，在一定條件下納米Al2O3可在1423K-1773K燒結(jié)，致密度可達(dá)99.7。常規(guī)Si3N4燒結(jié)溫度高于2273K，納米氮化硅燒結(jié)溫度降低400-500K。 TiO2韋氏硬度隨燒結(jié)溫度的變化納米粒子尺寸小，外表能高，壓制成塊材后的界面具有高能量，在燒結(jié)中高的界面能成為原子運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，有利于界面附近的原子分散。因此，在較低

16、溫度下燒結(jié)就能到達(dá)致密化目的。2. 納米資料的光學(xué)性質(zhì)納米粒子的一個(gè)最重要的標(biāo)志是尺寸與物理的特征量相差不多，小顆粒的量子尺寸效應(yīng)非常顯著。與此同時(shí)，大的比外表積使處于外表的原子、電子與處于小顆粒內(nèi)部的原子、電子的行為有很大的差別，這種外表效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對(duì)納米微粒的光學(xué)特性有很大的影響，甚至使納米微粒具有同樣物質(zhì)的宏觀大塊物體不具備的新的光學(xué)持性 人體輻射電磁波長(zhǎng)主要雷達(dá)波長(zhǎng)寬頻帶強(qiáng)吸收 大塊金屬不同顏色的光澤：對(duì)可見(jiàn)光范圍各種顏色(波長(zhǎng))光的反射和吸收才干不同。 各種金屬納米微粒：黑色 對(duì)可見(jiàn)光的反射率極低，對(duì)可見(jiàn)光低反射率，強(qiáng)吸收率導(dǎo)致粒子變黑。 0510152025-1.0-0.50

17、.00.51.0Y Axis TitleX Axis Title B0510152025-1.0-0.50.00.51.0Y Axis TitleX Axis Title Bhv2納米氮化硅、SiC及Al2O3等納米粒子對(duì)紅外有一個(gè)寬頻帶強(qiáng)吸收譜。 尺寸分布效應(yīng)。通常以為納米資料的粒徑有一定的分布，不同顆粒的外表張力有差別，引起晶格畸變程度也不同。這就導(dǎo)致納米資料的鍵長(zhǎng)有一個(gè)分布，以為這是引起紅外吸收寬化的緣由之一。b. 界面效應(yīng)。界面原子的比例非常高，導(dǎo)致不飽和鍵，缺陷非常多。界面原子除了與體相原子能級(jí)不同外，相互之間也能夠不同，從而導(dǎo)致能級(jí)分布的展寬。與大塊資料不同，沒(méi)有一個(gè)單一的，擇優(yōu)的

18、鍵振動(dòng)模，而存在一個(gè)較寬的鍵振動(dòng)模的分布，在紅外光的作用下對(duì)紅外光吸收的頻率也就存在一個(gè)較寬的分布。分析詳細(xì)體系要綜合思索各種要素，不能一概而論。納米資料紅外吸收的微觀機(jī)制研討還有待深化。一 . 納米粉體資料的特性二 . 納米粉體資料碳納米管三. 納米氧化物粉體資料的運(yùn)用四. 納米粉體資料的表征五. 納米粉體資料的制備二、 納米粉體資料-碳納米管1.1.單壁碳納米管單壁碳納米管Single walled carbon nanotubeSingle walled carbon nanotube， SWNTSWNT具有單層碳管構(gòu)造，直徑通常少于具有單層碳管構(gòu)造，直徑通常少于2nm2nm，最，最小的直徑目前為小的直徑目前為0.4nm0.4nm，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米2. 多壁納米碳管：多于一層的納米碳管那么稱(chēng)為多壁納米碳管( Multi-walled carbon nanotube, MWNT)多壁碳納米管直徑：10-30nm或更粗 ，長(zhǎng)度普通在微米量級(jí)，最長(zhǎng)者可達(dá)數(shù)毫米 石墨電弧法實(shí)驗(yàn)安裝圖獨(dú)特的電學(xué)性能 與納米碳管的幾何尺寸和管的螺旋度有關(guān)，隨參數(shù)的變化，可以顯示出導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體的性能。 0.65K 超導(dǎo)電性10nm8 mm18.2nm0.051 um8.5nm19.5um13.9nm7.8 umCu0.0175u