典型無機(jī)材料的合成

典型無機(jī)材料的合成第一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日第八章典型無機(jī)材料合成精細(xì)陶瓷材料納米粉體材料非晶態(tài)材料沸石分子篩催化材料色心晶體材料

材料不等于固體化學(xué)物質(zhì)，物理形態(tài)往往對(duì)材料的性質(zhì)起著相當(dāng)大的，有時(shí)甚至是決定性的作用。因此，化學(xué)合成方法并不是材料合成與制備的全部，材料還有其本身特殊的合成和制備手段。第二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日28.1精細(xì)陶瓷材料的合成陶器瓷器以粘土為主要原料燒成的硅酸鹽制品：

第三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日3沸石、分子篩zeolite第四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日4高聚物中的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)第五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日5陶瓷（Ceramics）是一類無機(jī)非金屬固體材料。陶瓷材料的形態(tài)可以分為單晶、燒結(jié)體、玻璃、復(fù)合體和結(jié)合體，這些形態(tài)各有利弊：?jiǎn)尉Ь哂芯芄δ?，但成型加工困難，成本高，硬而脆。多晶陶瓷材料往往采用燒結(jié)方式成型。陶瓷的典型代表有瓷器、耐火材料、水泥、玻璃和研磨材料等。陶瓷→精細(xì)陶瓷第六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日6在組成上，傳統(tǒng)陶瓷往往是采用雜質(zhì)較多的天然原料（如硅酸鹽），在常溫下成型、在高溫下燒結(jié)而成的燒結(jié)體。這種陶瓷材料稱作傳統(tǒng)陶瓷。制陶工藝近幾十年來發(fā)展迅速，制得了廣泛應(yīng)用在電子、能源諸多領(lǐng)域的耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性、絕緣性以及各種電磁優(yōu)越性能的新型陶瓷材料，稱之為精細(xì)陶瓷（FineCeramics），或先進(jìn)陶瓷、高技術(shù)陶瓷。精細(xì)陶瓷材料有各種化學(xué)成分，包括硅酸鹽、氧化物、碳化物、氮化物及鋁酸鹽等。雖然大多數(shù)陶瓷材料含有金屬離子，但也有例外。陶瓷→精細(xì)陶瓷第七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日7精細(xì)陶瓷按功能劃分，分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷是以強(qiáng)度、剛度、韌性、耐磨性、硬度、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料；功能陶瓷則以聲、光、電、磁、熱等物理性能為特征。研究精細(xì)陶瓷：探求和了解其組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系第八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日8某些精細(xì)陶瓷的應(yīng)用實(shí)例材料特性應(yīng)用領(lǐng)域用途代表物質(zhì)電子材料壓電性點(diǎn)火元件、壓電濾波器、表面波器件，壓電變壓器、壓電振動(dòng)器引燃器、FM、TV，鐘表、超聲波、手術(shù)刀Pb(Zr,Ti)O3,ZrO,LiNbO3,水晶半導(dǎo)體熱敏電阻、非線性半導(dǎo)體，氣體吸著半導(dǎo)體溫度計(jì)，加熱器，太陽電池，氣體傳感器Fe-Co-Mn-Si-OBaTiO3CdS-Cu2S導(dǎo)電性超導(dǎo)體快離子導(dǎo)體導(dǎo)電材料固體電解質(zhì)Yba2Cu3O7-xNa-βAl2O3,α-AgI絕緣體絕緣體集成電路襯底Al2O3,MgAl2O4第九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日9磁性材料磁性硬質(zhì)磁性體鐵氧體磁體（Ba,Sr）O·6Fe2O3磁性軟質(zhì)磁性體存儲(chǔ)元件（Zn,M）Fe3O4（M=Mo,Co,Ni,Mg等）

超硬材料

耐磨耗性

軸承Al2O3，B4C

切削性

車刀Al2O3，Si3N4

光學(xué)材料

熒光性

激光二極管發(fā)光二極管全息攝影光通訊，計(jì)測(cè)GaP、GaAsGaAsP

透光性透明導(dǎo)電體透明電極SnO2,In2O3

透光偏光性透光壓電體壓電磁器件(Pb，La)(Zr，Ti)O3

導(dǎo)光性

通訊光纜玻璃纖維第十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日10精細(xì)陶瓷原粉的化學(xué)合成機(jī)械法和合成法→化學(xué)合成法：固相法、液相法和氣相法等→固相法：化合法、自蔓延高溫合成法、熱分解法、爆炸法液相法：沉淀法、溶膠-凝膠法、溶劑蒸發(fā)法、微乳液法氣相法：氣相熱分解、化學(xué)氣相沉積法第十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日11精細(xì)陶瓷的成型成型：將粉體轉(zhuǎn)變成具有一定形狀、體積和強(qiáng)度的坯體的過程。原粉的預(yù)處理粉料的成型：干壓成型、漿料成型、可塑成型、注射成型(熱壓注成型)第十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日12精細(xì)陶瓷的燒結(jié)燒結(jié)是陶瓷材料致密化、晶粒長(zhǎng)大、晶界形成的過程，是陶瓷制備過程中最重要的階段。燒結(jié)決定產(chǎn)品的最終性能！無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)其他燒結(jié)方法：電場(chǎng)燒結(jié)、超高壓燒結(jié)、活化燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、爆炸燒結(jié)第十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日13無壓燒結(jié)時(shí)，顆粒粗化、素胚致密化、晶粒生長(zhǎng)的活化能依次增加。通過控制溫度，得到致密化程度高、但晶粒小的材料是目標(biāo)。控制升降溫速度、保溫時(shí)間、最高溫度來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。第十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日14第十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日158.2納米粉體材料的合成介觀：宏觀與微觀之間的領(lǐng)域，包括：團(tuán)簇：<1nm的原子聚合體納米體系：1nm-100nm，微乳液:納米體系亞微米體系：100nm-1000nm。

超微粒子體系：包括納米體系和亞微米體系納米科技：0.1—100nm,納米材料：納米微粒和納米固體第十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日16

納米效應(yīng)久保（Kubo)效應(yīng)，表面與界面效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)

第十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日17

納米效應(yīng)久保效應(yīng)：能帶理論表明，金屬費(fèi)米能級(jí)附近電子能級(jí)一般是連續(xù)的，這一點(diǎn)只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立。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)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)，小于10nm的微粒強(qiáng)烈趨向于電中性.

第十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日18

納米效應(yīng)小尺寸效應(yīng)：

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

第十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日19表面與界面效應(yīng)：粒徑為10nm，比表面積為90m2/g;粒徑為2nm，比表面積猛增為450m2/g;表面原子數(shù)增多，缺少近鄰配位的表面原子,有許多懸空鍵，表面能及表面結(jié)合能很大，易于其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很大的化學(xué)活性。第二十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日20第二十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日21

量子尺寸效應(yīng)電子的能級(jí)或能帶與組成材料的顆粒尺寸有密切的關(guān)系。隨顆粒尺寸減小，納米半導(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)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。發(fā)生藍(lán)移。第二十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日22用共熔法生長(zhǎng)制備了多個(gè)系列的量子點(diǎn)玻璃樣品，隨著玻璃中的量子點(diǎn)由小到大變化，玻璃的顏色由黃變紅，這是量子尺寸效應(yīng)的直觀表現(xiàn)。可以通過一個(gè)熱輻射體（太陽、鐵水、爐腔等）的顏色，判斷熱輻射體的溫度；而通過半導(dǎo)體量子點(diǎn)玻璃的顏色，可以估計(jì)（也可以準(zhǔn)確分析）玻璃中量子點(diǎn)的大小。圖中樣品的量子點(diǎn)直徑由3.2nm逐漸增大到6.4nm.第二十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日23采用濕化學(xué)法制備納米級(jí)超細(xì)活性氧化鋅，可用各種含鋅物料為原料，采用酸浸，浸出鋅，經(jīng)過多次凈化除去原料中的雜質(zhì)，然后沉淀獲得堿式碳酸鋅，最后焙解獲得納米氧化鋅。第二十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日24宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)：當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。

第二十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日25

電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。

例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。第二十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日26（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的“富貴”光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔堋４送庥钟锌赡軕?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。

8.2.3納米粒子的特性

第二十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日27（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064oC，當(dāng)顆粒尺寸減小到10nm尺寸時(shí)，則降低27℃，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327oC左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670oC，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。

日本川崎制鐵公司采用0.1～1微米的銅、鎳超微顆粒制成導(dǎo)電漿料可代替鈀與銀等貴金屬。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200～1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。

第二十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日28（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為

10-2微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為

80安／米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到

10-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于

10-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。

第二十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日29（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。至于金屬-陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。

第三十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日30老鼠股骨骨骼照片人工合成骨骼替代品電鏡照片第三十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日31

1991年日本SumioIijima（飯島澄男）用電弧放電法制備C60得到的碳炱中發(fā)現(xiàn)管狀的碳管碳的壁為類石墨二維結(jié)構(gòu)，基本上由六元并環(huán)構(gòu)成，按管壁上的碳碳鍵與管軸的幾何關(guān)系可分為“扶手椅管”、“鋸齒狀管”和“螺管”三大類，按管口是否封閉可分為“封口管”和“開口管”，按管壁層數(shù)可分為單層管（SWNT）和多層管（MWNT）。管碳的長(zhǎng)度通常只達(dá)到納米級(jí)（1nm=10-9m）。碳納米管第三十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日32第三十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日33單壁碳納米管的電鏡照片和結(jié)構(gòu)示意圖第三十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日342008年Kavli（卡弗里納）納米科學(xué)獎(jiǎng)

挪威皇家科學(xué)院正式宣布將卡弗里納米科學(xué)獎(jiǎng)授予美國哥倫比亞大學(xué)教授LouisE.Brus和日本NEC物理學(xué)教授S.Iijima（飯島澄男）。他們開創(chuàng)性的工作，使得后人可以把納米技術(shù)應(yīng)用于能源、環(huán)境、化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域。

第三十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日35美國的LouisE.Brus教授被譽(yù)為納米電子學(xué)領(lǐng)域的奠基人之一，是半導(dǎo)體納米晶體(即通常所說的量子點(diǎn))的發(fā)明人。他在1983年發(fā)現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)硅的新型半導(dǎo)體材料，之后，又和同事制備了越來越小的人工合成半導(dǎo)體納米晶體。由于他的開創(chuàng)性工作，現(xiàn)在上百位科學(xué)家正研究量子點(diǎn)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：如早期癌癥鑒別、腫瘤成像、藥物運(yùn)輸?shù)龋€有人把量子點(diǎn)運(yùn)用于開發(fā)更快速、更高效、更節(jié)能的計(jì)算機(jī)技術(shù)和低成本的光電電池。

日本的S.Iijima教授被譽(yù)為納米材料領(lǐng)域的奠基人之一，是碳納米管的發(fā)明人。雖在他之前已有人觀察到了碳納米管，但他于1991年發(fā)表在《自然》雜志上的論文，引發(fā)了納米科技界對(duì)碳納米管的廣泛關(guān)注。Iijima發(fā)現(xiàn)了碳納米管的一系列潛在應(yīng)用，比如優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)，相當(dāng)于鋼的比重1/6的碳納米管，比鋼的強(qiáng)度高100倍。有人據(jù)此開發(fā)出了防彈背心、特殊力學(xué)性能的運(yùn)動(dòng)器械和建筑材料等。納米管的電學(xué)性能和熱學(xué)性能，隨著它們的制備方式和原子結(jié)構(gòu)的變化而變化，可以表現(xiàn)出半導(dǎo)體或者金屬的性質(zhì)，因此可以用來生產(chǎn)二極管、晶體管、導(dǎo)電薄膜和電極等。

第三十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日36納米材料優(yōu)劣？納米粒子非常微小，所以能穿透細(xì)胞膜，但同時(shí)又大得足以將異物帶入DNA鏈。研究人員發(fā)現(xiàn)，魚類攝取少量碳納米物質(zhì)后患上了腦癌。實(shí)驗(yàn)鼠在吸入碳納米管(由碳原子組成的管狀分子)后出現(xiàn)肺病的癥狀，就好像吸入了石棉顆粒一樣。

第三十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日37納米材料的制備氣相法：氣體冷凝法；濺射法；真空蒸餾法；加熱蒸發(fā)法；混合等離子法；化學(xué)氣相沉積法；

特點(diǎn)：高真空；高溫；液相法：沉淀法；噴霧法；水熱法；溶劑揮發(fā)分解法；溶膠-凝膠法；微乳液法；電沉積法。

特點(diǎn)：軟化學(xué)過程固相法：高能球磨法；非晶晶化法；直接淬火法；

特點(diǎn)：機(jī)械加工過程第三十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日38控制合成途徑(a)(b)第三十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日39納米材料的研究手段-XRD謝樂公式、半峰寬第四十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日40TEM-HRTEM第四十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日41掃描電子顯微鏡SEM荷花何以出淤泥而不染？是因?yàn)樗谋砻媸止饣?，污垢難以停留？不是?？茖W(xué)家用掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)荷花的花瓣表面像毛玻璃一樣毛糙，全是納米級(jí)的“疙瘩”。第四十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日42仿照“荷花效應(yīng)”，采用化學(xué)氣相淀積制備了具有自清潔功能的納米線。當(dāng)水滴落在此超級(jí)不沾水的納米線上時(shí)，會(huì)快速滴落，并帶走納米線上的塵埃。第四十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日43納米材料的研究手段-HRTEM將C60裝入碳納米管中觀測(cè)。照射時(shí)間第四十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日44

納米科技研究的重要儀器——掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等微觀表征和操縱技術(shù)，它們對(duì)納米科技的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。掃描探針顯微鏡(SPM)的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在對(duì)微觀尺度的探索方面進(jìn)入到一個(gè)全新的領(lǐng)域。作為納米科技重要研究手段的SPM也被形象地稱為納米科技的“眼”和“手”。

第四十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日45掃描隧道顯微鏡（簡(jiǎn)稱STM）將一根電子探針極大程度地接近物質(zhì)的表面，看到高電子密度區(qū)域，推斷單個(gè)原子和分子所在的位置。利用二維圖像可以制造出原子級(jí)別的三維圖像。第四十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日46德國實(shí)驗(yàn)室托斯頓·鄧卓巴拍攝的GeSi量子點(diǎn)“森林”，15納米高，直徑70納米。第四十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日47通過飛秒級(jí)激光脈沖擊打藍(lán)寶石表面，在此過程中，藍(lán)寶石噴射出原子而留下一個(gè)淺淺的彈坑。晶體經(jīng)再加熱和再次噴射，形成了所展示的內(nèi)部深層結(jié)構(gòu)。1飛秒是千萬億分之一秒。第四十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日48掃描隧道顯微鏡不僅用于觀察單個(gè)的原子，還可通過顯微鏡的尖端、一些精良的刻度尺和穩(wěn)定的手來操縱單個(gè)的原子，如挑選原子或?qū)⑺鼈儚囊贿呁频搅硪贿??！斑@是一種分子級(jí)印刻的新辦法”?！皰呙杷淼里@微鏡是一個(gè)人操縱原子的最好的工具?！辈僮鳁l件：低溫4K第四十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日49通過掃描隧道顯微鏡，12個(gè)溴原子被組合排成一個(gè)圓圈。第五十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日50原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在于并非利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性。與掃描隧道顯微鏡不同，原子力顯微鏡的尖端可直接接觸樣品的表面，其尖端之間的力可以通過測(cè)量微型懸臂上的伸張力來計(jì)算，直接提供三維圖象。

原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。原子力顯微鏡十分靈敏，以至于小到只有幾皮牛頓（一萬億分之一牛頓）的力出現(xiàn)時(shí)，也能探測(cè)到。第五十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日51原子力顯微鏡AFM第五十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日52大腸桿菌保存完好的僅僅30nm長(zhǎng)的鞭毛。第五十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日53靜電力顯微鏡（簡(jiǎn)稱EFM）：與掃描隧道顯微鏡（STM）不同，靜電力顯微鏡通過靜電力來制造圖像，靜電力顯微鏡特別容易觀察納米世界下任何物體的靜電行為。第五十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日54靜電力顯微鏡（簡(jiǎn)稱EFM）拍攝的18納米的碳納米管所釋放電荷的絳蟲似圖像，明亮的光環(huán)是碳納米管頂端釋放電荷形成的，放了電的碳納米管則呈現(xiàn)暗色。第五十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日55在化工領(lǐng)域的應(yīng)用

納米二氧化鈦（TiO2）作為一種新型光催化劑、抗紫外線劑、光電效應(yīng)劑等，以其神奇的功能，將在抗菌防霉、排氣凈化、脫臭、水處理、防污、耐候抗老化、汽車面漆等領(lǐng)域顯示廣闊的應(yīng)用前景。隨著其產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)和功能性應(yīng)用發(fā)展的日趨成熟，它在環(huán)境、信息、材料、能源、醫(yī)療與衛(wèi)生等領(lǐng)域的技術(shù)革命中將起到不可低估的作用。將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。第五十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日56豐富多彩的納米材料（1）納米管和納米絲，納米陣列（2）多種多樣的納米固體（3）納米復(fù)合材料（a）陶瓷增韌（b）巨磁電阻效應(yīng)（c）磁性液體和磁記錄材料（d）超微粒傳感器（e）在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用（f）活性及催化作用（g）光學(xué)應(yīng)用第五十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日572007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，德國物理學(xué)家葛林柏格（PeterGruenberg），（左）和法國物理學(xué)家費(fèi)爾特（AlbertFert）。以表彰他們?cè)?988年分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)（giantmagnetoresistance,GMR）。該項(xiàng)發(fā)明對(duì)電腦磁盤以及各類通過磁性來記錄數(shù)據(jù)的技術(shù)產(chǎn)生了重大影響，同時(shí)有助于今日電子元件的微型化，從而獲得今年諾貝爾物理獎(jiǎng)委員會(huì)的肯定。

費(fèi)爾特現(xiàn)為法國巴黎第十一大學(xué)（UniversitéParis-Sud11）物理學(xué)教授，葛林柏格則為德國尤里西研究中心(JülichResearchCentre)的資深科學(xué)家，兩人在1988年分別發(fā)現(xiàn)奈米結(jié)構(gòu)下的巨磁電阻效應(yīng)。

瑞典皇家科學(xué)院在宣布諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，贊揚(yáng)這種巨磁電阻效應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用為硬碟讀取資料帶來革命性改變，也在其它電磁感應(yīng)應(yīng)用上扮演重要角色，可以被視為奈米科技首度實(shí)際應(yīng)用于前景可期的領(lǐng)域。第五十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日58

納米TiO2抗菌防霉機(jī)理由于TiO2電子結(jié)構(gòu)所具有的特點(diǎn)，使其受光時(shí)生成化學(xué)活潑性很強(qiáng)的超氧化物陰離子自由基和氫氧自由基，攻擊有機(jī)物，達(dá)到降解有機(jī)污染物的作用。當(dāng)遇到細(xì)菌時(shí)，直接攻擊細(xì)菌的細(xì)胞，致使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物降解，以此殺滅細(xì)菌，并使之分解。一般常用的殺菌劑銀、銅等能使細(xì)菌細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌殺死后，尸體釋放出內(nèi)毒素等有害的組分。納米TiO2不僅能影響細(xì)菌繁殖力，而且能破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，達(dá)到徹底降解細(xì)菌，防止內(nèi)毒素引起的二次污染。納米TiO2屬于非溶出型材料，在降解有機(jī)污染物和殺滅細(xì)菌的同時(shí)，自身不分解、不溶出，光催化作用持久，并具有持久的殺菌、降解污染物效果。

第五十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日59

將金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中，可以大大降低靜電作用。納米微粒還可用作導(dǎo)電涂料，用作印刷油墨，制作固體潤滑劑等納米TiO2應(yīng)用領(lǐng)域在人們的居住環(huán)境中存在著各種有害細(xì)菌，對(duì)人類生活產(chǎn)生不良影響。居室內(nèi)各種建筑裝飾材料，如人造板、木質(zhì)復(fù)合地板、層壓木質(zhì)板家具和膠粘劑等會(huì)揮發(fā)出甲醛、苯、鹵代烴、芳香烴等有毒污染物，危害人體健康。如果在建筑內(nèi)墻涂料、地面覆蓋材料、墻面裝飾材料、家具面漆等材料中添入納米TiO2，既可殺菌防霉，又可降解有機(jī)污染物，使人們生活在衛(wèi)生健康的環(huán)境中。

第六十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日60

TiO2光催化技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，利用自然光、常溫常壓即可催化分解病菌和污染物，具有高活性、無二次污染、無刺激性、安全無毒、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是最具開發(fā)前景的綠色環(huán)保催化劑之一。采用納米TiO2光催化劑處理有機(jī)廢水，能有效地將水中的鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、硝基芳烴、多環(huán)芳烴、酚類、染料、農(nóng)藥等進(jìn)行除毒、脫色、礦化，最終降解為二氧化碳和水，目前這方面的研究已取得進(jìn)展，光催化降解污水將成為有效的處理手段。利用金紅石型納米TiO2的紫外線屏蔽優(yōu)異性和高耐候性，以及光催化效應(yīng)來降解氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）等，還可以有效地治理工業(yè)廢氣、汽車尾氣排放所造成的大氣污染，其原理是將有機(jī)或無機(jī)污染物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，生成水、二氧化碳、鹽等，從而凈化空氣。研究結(jié)果顯示，納米TiO2光催化空氣凈化涂料、陶瓷等材料在消除氮氧化物等方面的應(yīng)用具有良好的前景。

第六十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日61

添加約1％納米TiO2的抗菌塑料，可廣泛應(yīng)用于食品包裝、電器、家具、餐具、公共設(shè)施等，以防止病菌的繁殖和交叉感染?？咕w維可制作醫(yī)療用品等，還可生產(chǎn)抑菌除臭的保健紡織品、衛(wèi)生紡織品等，以提供安全有效的保健功能。

此外，納米TiO2在磁性材料、淺色導(dǎo)電材料、氣體傳感器、濕度傳感器等領(lǐng)域已得到很好的應(yīng)用。隨著應(yīng)用研究的深入，它的應(yīng)用領(lǐng)域必將越來越廣泛。目前，國內(nèi)納米TiO2的生產(chǎn)和應(yīng)用尚處于初級(jí)發(fā)展階段。第六十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日62我國納米科技主要成果

我國的研究力量主要集中在納米材料的合成和制備，掃描探針顯微學(xué)，分子電子學(xué)以及少數(shù)納米技術(shù)的應(yīng)用等方面。我國科學(xué)家在納米碳管、納米材料的若干領(lǐng)域已取得一些很出色的研究成果，但在納米器件方面差距明顯。

第六十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日63

1993年，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標(biāo)志著我國處于國際納米科技前沿。

1998年，清華大學(xué)成功地制備出直徑為3―50納米，長(zhǎng)度達(dá)微米量級(jí)的氮化鎵半導(dǎo)體一維納米棒，使我國在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體。

1998年，我國科學(xué)家用非水熱合成法，制備出金剛石納米粉，被國際刊物譽(yù)為“稻草變黃金――從四氯化碳制成金剛石”

近年，中國科學(xué)院物理研究所，不僅合成了世界上最長(zhǎng)的“超級(jí)纖維”

碳納米管，創(chuàng)造了一項(xiàng)“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最細(xì)的碳納米管。

第六十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日641999年上半年，北京大學(xué)納米技術(shù)研究取得重大突破，在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面，并組裝世界上最細(xì)且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針

1999年，中科院金屬研究所合成出高質(zhì)量的碳納米材料，使我國新型儲(chǔ)氫材料研究一舉躍上世界先進(jìn)水平。

1999年，上海交通大學(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究院研制成功了當(dāng)時(shí)世界上體積最小、重量最輕的微型直升機(jī)，這架雙螺旋漿微型直升機(jī)，機(jī)身長(zhǎng)僅18毫米，機(jī)身高5毫米，機(jī)重100毫克。

第六十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日65

近年來，根據(jù)國際發(fā)展趨勢(shì)，科學(xué)家還建立和發(fā)展了多種制備納米結(jié)構(gòu)組裝體系的方法，成功地制備出多種準(zhǔn)維納米材料和納米組裝體系。

不久前，我國科學(xué)家研制出迄今世界上信息存儲(chǔ)密度最高的有機(jī)材料，從而在超高密度信息存儲(chǔ)研究上再創(chuàng)世界之最。

最近中國科學(xué)院化學(xué)所利用插層復(fù)合技術(shù)將天然粘土礦物均勻分散到聚合物中，制出一系列“令人驚奇”的納米塑料，使納米產(chǎn)業(yè)化在我國成為可能。

第六十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日66納米陶瓷：指顯微結(jié)構(gòu)中的物相(包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔與尺寸缺陷等)都在納米量級(jí)水平上的陶瓷材料?，F(xiàn)有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米級(jí)的水平。當(dāng)其晶粒尺寸變小到納米級(jí)的范圍時(shí)，晶粒的表面積和晶界的體積會(huì)以相應(yīng)的倍數(shù)增加，晶粒的表面能亦隨之劇增。由于顆粒的線度減少而引起表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，使得材料的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列變化，而且甚至出現(xiàn)許多特殊的物理與化學(xué)性質(zhì)。第六十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日67粉體合成按合成條件分類：1、氣相法：氣相法是直接利用氣體，或者通過各種手段將物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或者化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長(zhǎng)大形成納米粒子的方法。優(yōu)點(diǎn)：制得的納米陶瓷粉體的純度較高，團(tuán)聚較少，燒結(jié)性能較好缺點(diǎn)：產(chǎn)量低，設(shè)備昂貴納米材料的制備：

納米粉體的合成素坯的成型產(chǎn)品的燒結(jié)第六十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日682、液相法：液相法則是選擇一種或多種合適的可溶性金屬鹽類，按所制備的材料組成計(jì)量配制成溶液，再選擇一種合適的沉淀劑或用蒸發(fā)、升華、水解等操作，使金屬離子均勻沉淀或結(jié)晶出來，最后將沉淀或結(jié)晶脫水或者加熱分解而得到納米陶瓷粉體優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備較簡(jiǎn)單，粉體較純，團(tuán)聚少，易工業(yè)化生產(chǎn)3、固相法：指納米粉體是由固相原料制得，按其加工的工藝特點(diǎn)可分為機(jī)械粉碎法和固相反應(yīng)法兩類。優(yōu)點(diǎn)：所用設(shè)備較簡(jiǎn)單，方便操作缺點(diǎn)：純度較低，料度分布較廣第六十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日69素坯成型:是將粉末轉(zhuǎn)變成具有一定形狀、體積和強(qiáng)度的坯體的過程,素坯的相對(duì)密度和顯微結(jié)構(gòu)的均勻性對(duì)陶瓷在燒結(jié)過程中的致密化有極大的影響素坯的成型方法：傳統(tǒng)方法：干壓成型、離心注漿法、擠壓法、注射法新型方法：凝膠注膜法、直接凝固注模成型第七十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日70燒結(jié)：陶瓷材料致密化、晶體長(zhǎng)大、晶界形成的過程納米陶瓷燒結(jié)過程的關(guān)鍵：如何在控制晶粒長(zhǎng)大很少的前提下實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)方法：（傳統(tǒng)）無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)仍廣泛使用。（新）微波燒結(jié)、等離子體燒結(jié)、高壓燒結(jié)、爆炸燒結(jié)第七十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日711、高強(qiáng)度：納米陶瓷的性能：

納米陶瓷材料在壓制、燒結(jié)后，其強(qiáng)度比普通陶瓷材料高出4-5倍，如在100度下，納米TiO2陶瓷的顯微硬度為13000KN/mm2，而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于2000KN/mm2。日本的新原皓一制備了納米陶瓷復(fù)合材料，并測(cè)定了其相關(guān)的力學(xué)性能，研究表明納米陶瓷復(fù)合材料在韌性和強(qiáng)度上都比原來基體單相材料均有較大程度的改善，對(duì)Al2O3/SiC系統(tǒng)來說，納米復(fù)合材料的強(qiáng)陶度比單相氧化鋁的強(qiáng)度提高了3-4倍。第七十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日722、韌性

傳統(tǒng)的陶瓷由于其粒徑較大，在外表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性，但是納米陶瓷由于其晶粒尺寸小至納米級(jí)，在受力時(shí)可產(chǎn)生變形而表現(xiàn)出一定的韌性。

如室溫下的納米TiO2陶瓷表現(xiàn)出很高的韌性，壓縮至原長(zhǎng)度的1/4仍不破碎。1988年Lzaki等人首先用納米碳化硅補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷使氮化硅陶瓷力學(xué)性能顯著改善。第七十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日733、超塑性

超塑性是指在拉伸試驗(yàn)中，在一定的應(yīng)變速率下，材料產(chǎn)生較大的拉伸形變。如Nieh等人在四方二氧化鋯中加入Y2O3的陶瓷材料中觀察到超塑性達(dá)800%.上海硅酸鹽研究所研究發(fā)現(xiàn)，納米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸試驗(yàn)后，其樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變，形變量高達(dá)380%，并從斷口側(cè)面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線，這些都確認(rèn)了納米陶瓷材料存在著拉伸超塑性。第七十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日744、燒結(jié)特性

納米陶瓷材料的燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)陶瓷材料約低600℃,燒結(jié)過程也大大縮短。12nm的TiO2粉體，不加任何燒結(jié)助劑，可以在低于常規(guī)燒結(jié)溫度400-600℃下進(jìn)行燒結(jié)，同時(shí)陶瓷的致密化速率也迅速提高。通過對(duì)加3%Y2O3的ZrO2納米陶瓷粉體的致密化和晶粒生長(zhǎng)這2個(gè)高溫動(dòng)力學(xué)過程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界與氣孔的分離區(qū)減小，燒結(jié)溫度的降低使得燒結(jié)過程中不易出現(xiàn)晶粒的異常生長(zhǎng)?？刂茻Y(jié)的條件，可獲得晶粒分布均勻的納米陶瓷塊體。

第七十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日751、應(yīng)用于提高陶瓷材料的機(jī)械強(qiáng)度結(jié)構(gòu)陶瓷是以強(qiáng)度、剛度、韌性、耐磨性、硬度、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料。用納米陶瓷粉體制備的陶瓷材料能有效減少材料表面的缺陷,獲得形態(tài)均一和平滑的表面,能增強(qiáng)界面活性,提高材料單晶的強(qiáng)度,還能有效降低應(yīng)力集中,減少磨損,特別是可以有效提高陶瓷材料的韌性。

納米陶瓷的應(yīng)用：第七十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日762、應(yīng)用于提高陶瓷材料的超塑性

只有陶瓷粉體的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中產(chǎn)生超塑性行為,其原因是晶粒的納米化有助于晶粒間產(chǎn)生相對(duì)滑移,使材料具有塑性行為。3、應(yīng)用于制備電子(功能)陶瓷

納米陶瓷粉體之所以廣泛地用于制備電子陶瓷,原因在于陶瓷粉體晶粒的納米化會(huì)造成晶界數(shù)量的大大增加,當(dāng)陶瓷中的晶粒尺寸減小一個(gè)數(shù)量級(jí),則晶粒的表面積及晶界的體積亦以相應(yīng)的倍數(shù)增加第七十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日774、應(yīng)用于制備陶瓷工具刀

納米技術(shù)的出現(xiàn)以及納米粉體的工業(yè)化生產(chǎn),使得制備金屬陶瓷刀成為現(xiàn)實(shí)。在金屬陶瓷中主要加入納米氮化鈦以后可以細(xì)化晶粒,晶粒細(xì)小有利于提高材料的強(qiáng)度、硬度,同時(shí)斷裂韌性也得到提高5、應(yīng)用于制備生物陶瓷1）接近于生物惰性的陶瓷,如氧化鋁(Al2O3)2）表面活性生物陶瓷,如致密羥基磷灰石(10CaO-3P2O5H2O)。3）可吸收生物陶瓷,如磷酸三鈣(CaO-P2O5)(TCP)第七十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日786、應(yīng)用于制備功能性陶瓷纖維(1)防紫外線纖維。(2)遠(yuǎn)紅外線保溫纖維。(3)抗菌防臭纖維

第七十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日798.3非晶態(tài)材料的合成長(zhǎng)程無序第八十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日80非晶態(tài)材料的合成方法比晶態(tài)材料易于制備所適應(yīng)的化學(xué)組成范圍廣泛，且組成可以連續(xù)變化熔體冷卻法：傳統(tǒng)玻璃冷卻法，超速冷卻法，激光自旋融化和自由落下冷卻法氣相凝聚法：真空蒸鍍法，輝光放電分解法，化學(xué)氣相沉積法，濺射法晶體能量泵入法：破壞晶體中的長(zhǎng)程有序化學(xué)反應(yīng)法：溶液反應(yīng)，溶膠-凝膠法，微乳液法，先驅(qū)物法，流變相法第八十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日81非晶態(tài)材料的合成第八十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日82非晶態(tài)材料的應(yīng)用第八十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日838.4沸石分子篩催化材料的合成硅鋁比:Si/Al,orSiO2/Al2O3第八十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日84

分子篩

泡沸石（又稱沸石）是一種含結(jié)晶水的具有多孔結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽M2O·Al2O3·xSiO2·yH2O），共中有許多籠狀空穴和通道。這種結(jié)構(gòu)使它很容易可逆地吸收或失去水及共它小分子，如CO2、NH3、甲醇、乙醇等，但它不吸收那些大得不能進(jìn)入空穴的分子，因而起著“篩分”的作用，故有“分子篩”之稱。分子篩有沸石分子篩和高嶺土分子篩，有天然的和人工合成的。泡沸石就是一種天然分子篩。第八十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日85

分子篩具有很好的選擇性吸附、催化和離子交換能力，它能吸附分離某些氣體（如氨氣、氮?dú)獾龋?、水、液體混合物或除去某些有害氣體，達(dá)到凈化與干燥的目的；作為催化劑，用于石油催化裂化等工業(yè)，它具有很高的活性，較好的選擇性和熱穩(wěn)定性；此外還可用于中空玻璃生產(chǎn)及水處理領(lǐng)域，都有顯著的效果。

第八十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日86第八十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日87

分子篩是以選擇性吸附為特征。分子篩一詞是為描述一類具有選擇性吸附性質(zhì)的材料。McBain于1932年提出，當(dāng)時(shí)只有兩類分子篩是已知的：天然沸石和活性炭。后來，又有多種分子篩材料被發(fā)現(xiàn)，包括硅酸鹽、磷酸鹽、氧化物等。文獻(xiàn)中沸石一詞常常被用來描述各種多孔化合物，其實(shí)沸石的嚴(yán)格定義應(yīng)該是一類結(jié)晶的硅鋁酸鹽微孔結(jié)晶體，包括天然和人工合成的。而那些具有類似結(jié)構(gòu)的磷酸鹽和純硅酸鹽等應(yīng)該稱為類沸石材料。不論其具有一直的沸石結(jié)構(gòu)，還是新結(jié)構(gòu)。有吸附能力（客體分子水或模版劑能被除去）的材料才能被稱之為微孔材料或分子篩。第八十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日88沸石分子篩的合成:水熱晶化法

分子篩原粉主要用于制造分子篩，通過混入粘結(jié)劑、高嶺土等材料，加工成球狀、條形或其他無規(guī)則形狀，經(jīng)高溫焙燒后制成成型分子篩，也可直接高溫焙燒制成活化沸石粉（即成粉狀分子篩）。第八十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日89沸石分子篩的合成第九十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日908.5色心晶體材料的合成通常的離子晶體是無色透明的色心—缺陷第九十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日91晶體材料的缺陷晶體中的缺陷可以極大地影響晶體材料的性質(zhì)，晶體中的缺陷一般按照其幾何線度分類：點(diǎn)缺陷：包括點(diǎn)陣空位、填隙原子線缺陷：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)面缺陷：體缺陷

第九十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日92

點(diǎn)缺陷

肖特基缺陷佛倫克爾缺陷填隙原子外來原子非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷線缺陷位錯(cuò)面缺陷小角晶界層錯(cuò)孿晶界面體缺陷組成不均勻（生長(zhǎng)層、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等）包裹體孿晶第九十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日93點(diǎn)缺陷的表示方法-關(guān)于A的角標(biāo)其中：中性用×表示，帶正電荷用·表示，帶負(fù)電荷用，表示。如果是取代缺陷，右下角用被取代的原子的元素符號(hào)，表示該缺陷處于該原子格位上；如果缺陷處在晶格間隙上，則用i表示。點(diǎn)缺陷的表示方法-關(guān)于A空位缺陷用V表示；雜質(zhì)缺陷用該原子的元素符號(hào)表示；電子缺陷用字母e表示；空穴用字母h表示A點(diǎn)缺陷所帶有的有效電荷缺陷在晶體中所占的格位Kroger-Vink符號(hào)第九十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日94點(diǎn)缺陷的表示方法-示例Cu3Au合金中的缺陷：Cu空位：VCuAu空位：VAuCu原子占據(jù)了Au原子的位置：CuAuCu或Au原子進(jìn)入晶格間隙：Cui或Aui第九十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日95點(diǎn)缺陷的表示方法-示例SiC中部分C被N取代產(chǎn)生的取代缺陷：BaF2從含有少量NdF3雜質(zhì)的熔體中析出，晶體中會(huì)有部分Ba2+被Nd3+取代。同時(shí)，為了維持晶體的電荷平衡，晶格中會(huì)產(chǎn)生Ba2+空位，這兩種缺陷表示為：第九十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日96缺陷的表示無缺陷狀態(tài)：0晶格結(jié)點(diǎn)空位：VM,VX填隙原子:Ai,Xi錯(cuò)位原子:在AB中，AB,BA取代原子:在MX中NM電子缺陷:e’,h?帶電缺陷:VM’,VX?,Ai?,Xi’,AB,BA,NM(n-m)第九十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日97本征缺陷非外來雜質(zhì)引起的，由晶體構(gòu)造的某種不完善性帶來的缺陷叫本征缺陷。包括：（1）晶體組分偏離化學(xué)整比（2）點(diǎn)陣格位上缺少某些原子（3）點(diǎn)陣格位間隙處存在間隙原子（4）一類原子占據(jù)了另一類原子的格位第九十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日98點(diǎn)缺陷-肖特基缺陷晶體中原子由于熱漲落而脫離格點(diǎn)位置，遷移到晶體表面上正常格點(diǎn)位置形成新的原子層，會(huì)在晶體內(nèi)部留下空位。特定溫度下，晶體內(nèi)部的空位和表面上的原子處于平衡狀態(tài)，這種缺陷是肖特基缺陷。第九十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日99肖特基缺陷空位的數(shù)目不是任意的，必須考慮晶體電中性的要求。肖特基缺陷是由滿足晶體電中性的正離子空位和負(fù)離子空位組成的缺陷。例如，在NaCl晶體中，一個(gè)肖特基缺陷由一個(gè)VNa和一個(gè)VCl構(gòu)成。即在MX型化合物中，肖特基缺陷的個(gè)數(shù)是空位個(gè)數(shù)的一半；在MX2化合物中，肖特基缺陷個(gè)數(shù)是空位個(gè)數(shù)的三分之一。第一百頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日100MX型化合物肖特基缺陷濃度溫度（K）肖特基缺陷[D]g3003.87×10-185003.57×10-117003.45×10-89001.57×10-6第一百零一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日101點(diǎn)缺陷-佛倫克爾缺陷漲落使原子的能量大到一定程度，脫離晶格位置跑到鄰近原子間的空隙中，形成所謂的填隙原子，這種缺陷叫佛倫克爾缺陷。

第一百零二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日102點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)空位的擴(kuò)散:

原子或離子向空位的擴(kuò)散相當(dāng)于空位向相反方向的擴(kuò)散.第一百零三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日103點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)間隙原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):如由于形成了氮化物或碳化物而使鋼變硬;其他較小的原子穿過具有致密結(jié)構(gòu)的器壁進(jìn)入到反應(yīng)中.第一百零四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日104點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)原子運(yùn)動(dòng)到鄰近的空位或間隙需要跨過的勢(shì)壘一般為幾個(gè)電子伏特,而原子或離子的振動(dòng)能量即使在1273K也只有十分之一電子伏特;金屬是緊密堆積方式排列的,其中形成空位需要的能量遠(yuǎn)小于形成間隙原子需要的能量.即,大部分金屬熱平衡時(shí)的主要點(diǎn)缺陷是空位.第一百零五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日105點(diǎn)缺陷-雜質(zhì)缺陷外來原子進(jìn)入晶格，有可能取代原來原子的位置成為替位原子，也可能占據(jù)晶格間隙成為填隙原子，這種缺陷是雜質(zhì)缺陷，它的濃度與溫度無關(guān)，與晶體結(jié)構(gòu)和外來原子的大小、性質(zhì)有關(guān)。

第一百零六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日106點(diǎn)缺陷-雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)原子能否進(jìn)入晶體取代晶格中的某個(gè)原子或離子取決于能量是否有利。能量效應(yīng)包括了離子之間的靜電作用、鍵合能及相應(yīng)的體積效應(yīng)。離子晶體中，正負(fù)離子的電負(fù)性相差較大，雜質(zhì)離子應(yīng)該進(jìn)入其電負(fù)性接近的離子的位置。比如，在NaCl中摻入KCl，可以形成KNa×；摻入NaBr，形成BrCl×；摻入CaCl2，形成CaNa·和VNa，。第一百零七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日107點(diǎn)缺陷-雜質(zhì)缺陷如果電負(fù)性相差不大，則幾何因素成為形成雜質(zhì)缺陷的關(guān)鍵因素。原子半徑接近的原子可以相互取代，形成取代固溶體。在取代固溶體中，少量或微量的組分可以看作取代缺陷。第一百零八頁，共一百一十八頁，2