納米材料特性

1、納米材料特性納米材料導(dǎo)論作業(yè)1 1、 什么是納米材料？怎樣對(duì)納米材料進(jìn)行分類(lèi)？答：任何至少有一個(gè)維度的尺寸小于 100nm100nm 或由小于 100nm100nm 的基本單元組 成的材料稱(chēng)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(lèi)。原子團(tuán)簇、納米微粒等為 0 0 維納米材料。納米線(xiàn)為 1 1 維納米材料，納米薄膜 為 2 2 維納米材料，納米塊體為 3 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 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

2、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S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)

3、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(chēng)為量子效應(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(xiàn)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(chēng)體積效應(yīng)。久保理論對(duì)此做了些解釋。3 3

4、、 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 1）晶界具有大量未被原子占據(jù)的空間或過(guò)剩體積，2 2）低的配位數(shù)和密度，3 3）大的原子均方間距， 4 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)、 孿晶、層錯(cuò)以及晶面等共同形成納米材料的缺陷。4 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(xiàn)缺陷，如位錯(cuò)，一種一維缺陷，位錯(cuò)的線(xiàn)長(zhǎng)度及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均自由程均

5、小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孿晶、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 1）當(dāng)晶粒尺寸在 5050100nm100nm 之間, 溫度0.50.5Tm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 2）當(dāng)晶粒尺寸在 3030 50nm50nm 時(shí)可認(rèn)為基本上沒(méi)有位錯(cuò)行為。3 3）當(dāng)晶粒尺寸小于 10nm10nm 時(shí)產(chǎn)生新的位錯(cuò)很困難。4 4）當(dāng)晶粒小于約 2nm2nm 時(shí), 開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)源的應(yīng)力達(dá)到無(wú)位錯(cuò)晶

6、粒的理論切應(yīng)力。5 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 缺點(diǎn)是粉體的 產(chǎn)生率低氣 相 法化學(xué)氣相沉積當(dāng)前驅(qū)體氣相分子被吸附到咼溫襯底表面時(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?？芍苽涑霾煌某Ц癫?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

7、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、 合金以 及化合物投資少，生產(chǎn) 效率高，不受 試樣尺寸和形 狀的限制，可 制成薄膜、涂 層或塊體材 料，所得樣品密度較咼機(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 法固相反應(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

8、 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 要二次粉碎大塑性變形壓力扭轉(zhuǎn)， 等 通道積壓可生產(chǎn)出較大的樣品不含空隙類(lèi)缺陷，晶 界潔凈，但含 有較大的殘余 應(yīng)力，晶粒尺 寸較大非晶晶化熔融金屬快冷成非晶， 控制 晶化高密度、產(chǎn)量少，應(yīng)用范圍 有限表面納米化將材料的 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)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

9、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)，自組裝技術(shù)其/、它方法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 寸和排列相同 的納米材料或 結(jié)構(gòu)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GaNGaN 納米 絲陳列、ZnOZnO 單晶晶須陳 列、單晶SiSi 納 米線(xiàn)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

10、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(xiàn)陳 列，可實(shí)現(xiàn)在 原子尺度上的 加工，線(xiàn)寬可 達(dá) 0.0.1 11nm1nm， 應(yīng)用前景廣闊6 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 20nm20nm 時(shí)，規(guī)一化 模量才開(kāi)始下降，晶粒很小時(shí)（小于 5nm5nm ）時(shí)，彈性模量才大幅度下降。二、強(qiáng)度，由于 Hall-PetcHall-Petch h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，而納米材

11、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-PetchHall-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。 總之，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。此外，機(jī)械孿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

12、率并不 明顯大于微米晶的蠕變速率，無(wú)論在低溫或中溫范圍內(nèi)晶界擴(kuò)散蠕變或 CobleCoble 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。另夕卜，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 2-22-2 維、0-30-3 維和 0-00-0 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

13、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)一的新材料，前景誘人。7 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(guān)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(mǎn)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(guān)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

14、）kpT，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= 1 e225.8K25.8KQ。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 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(chēng)為磁電阻或磁阻效應(yīng)MV%嚴(yán)普通材料的磁阻效應(yīng)(MRMR )很小，我們把發(fā)現(xiàn)一些材料的磁阻效應(yīng) 超過(guò) 5050%的MRMR，且為各向同性，負(fù)效應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為巨磁電阻(GiantGiant MagntoresistanceMagntoresistanceGMRGMR )效應(yīng)。已發(fā)現(xiàn)具有 GMRGMR

15、 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(lèi)。產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng)的原理分別討論如下:，、多層膜的 GMRGMR 效應(yīng)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(guān)上，多層膜 處于高電阻狀態(tài)。當(dāng)外加磁根據(jù) MottMott的二流體模型，傳導(dǎo)電子分成 自旋向上與自 旋向下的兩組， 只考慮磁層產(chǎn) 生的影響。兩種 自旋狀態(tài)的傳 導(dǎo)電子都在穿 過(guò)磁矩取向與鐵磁推層非磁性 隔離層鐵磁建層非磁性 隔離層 鐵磁程 層鐵磁性層.非磁性隔離層鐵磁性層非磁性隔離層鐵磁性層場(chǎng)足夠大，原本 反平行排列的各層磁矩都沿外場(chǎng)方

16、向排列 的情況?？梢钥闯觯趥鲗?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(guān)上，多層膜處于低電阻狀態(tài)，這樣就產(chǎn)生了 GMRGMR 現(xiàn)象。二、自旋閥的 GMRGMR 效應(yīng)。為了使 GMRGMR 材料的Hs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?磁場(chǎng)下就可以實(shí)現(xiàn)僅使自由層的磁場(chǎng)發(fā)生 翻轉(zhuǎn)。三、納米顆粒膜的 GMRGMR 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

17、。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) GMRGMR 效應(yīng)。四、隧道型 TMRTMR 效應(yīng)。積層為下述的 三明治結(jié)構(gòu)：鐵磁性 A/A/非鐵磁性絕緣層/ /鐵 磁性 B 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 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) TiOTiO2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。TiOTiO2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) TiOTi