分析測試技術

分析測試技術第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日納米材料納米磁性材料納米陶瓷材料硅基納米發(fā)光材料納米碳分子材料第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米？納米是一個長度計量單位，1納米=10-9米納米結構通常是指尺寸在100納米以下（1-100nm）的微小結構在納米尺寸上對物質和材料進行研究處理的技術稱為納米技術納米技術本質上是一種用單個原子、分子制造物質的科學技術第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米？納米概念的提出與發(fā)展？人類能夠用宏觀的機器制造比其體積小的機器,而這較小的機器可以制作更小的機器,這樣一步步達到分子線度,即逐級地縮小生產(chǎn)裝置,以至最后直接按意愿排列原子,制造產(chǎn)品。那時,化學將變成根據(jù)人們的意愿逐個地準確放置原子的問題。

當2000年人們回顧歷史的時候,他們會為直到1959年才有人想到直接用原子,分子來制造機器而感到驚訝。

---RichardP.Feynman,1959第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述七十年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想。1974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工。1982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進作用。1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生。第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10成為納米技術研究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關以及納米級電子線路等。1993年，繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文名字、1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機。1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄。

第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述2000年4月，美國能源部桑地亞國家實驗室運用激光微細加工技術研制出智能手術刀，該手術刀可以每秒掃描10萬個癌細胞，并將細胞所包含的蛋白質信息輸入計算機進行分析判斷。2001年紐約斯隆-凱特林癌癥研究中心的戴維.沙因貝格爾博士報道了把放射性同位素錒-225的一些原子裝入一個形狀像圓環(huán)的微型藥丸中，制造了一種消滅癌細胞的靶向藥物。這些研究表明納米技術應用于醫(yī)學的進展是十分迅速的。第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述到1999年，納米技術逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到500億美元。近年來，一些國家紛紛制定相關戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰(zhàn)略高地。日本設立納米材料研究中心，把納米技術列入新5年科技基本計劃的研發(fā)重點；德國專門建立納米技術研究網(wǎng)；美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米？納米概念的提出與發(fā)展？納米材料？納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(10-9～10-7m)或由它們作為基本單元構成的材料零維材料一維材料二維材料三維材料第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述零維材料指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團簇等一維材料指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述二維材料指在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜；超晶格等。第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米？納米概念的提出與發(fā)展？納米材料？納米材料的性能？小尺寸效應量子效應表面與界面效應宏觀量子隧道效應

納米材料的特殊性能是由于納米材料的特殊結構，使之產(chǎn)生四大效應，即小尺寸效應、量子效應、表面效應、宏觀量子隧道效應，從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的物理、化學性能。由于納米材料在磁、熱、光、電、催化、生物等方面具有奇異的特性，使其在諸多領域有著非常廣泛的應用前景，并已經(jīng)成為當今世界科技前沿的熱點之一。第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述小尺寸效應當超細微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將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應。光吸收顯著增加出現(xiàn)吸收峰的等離子共振頻移磁有序態(tài)變?yōu)榇艧o序態(tài)超導相變?yōu)檎Ｏ嗟谑捻?，共五十六頁，編輯?023年，星期日概述特殊的光學性質

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。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變?yōu)闊崮堋㈦娔堋４送庥钟锌赡軕糜诩t外敏感元件、紅外隱身技術等。特殊的熱學性質

固態(tài)物質在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述特殊的磁學性質人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領。磁性超微顆粒實質上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。人們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。

第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述特殊的力學性質

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。因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，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性質。美國學者報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度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。至于金屬一陶瓷等復合納米材料則可在更大的范圍內改變材料的力學性質，其應用前景十分寬廣。

超微顆粒的小尺寸效應還表現(xiàn)在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。

第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述量子效應當金屬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)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)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象稱為量子尺寸效應。當粒子尺寸達到納米尺寸,能級間距發(fā)生分裂,這會導致納米微粒的磁、光、熱、電等性能發(fā)生顯著的變化。第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述表面與界面效應納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當大的比例。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的化學活性，催化活性，吸附活性。第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述宏觀量子隧道效應微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應，成為宏觀的量子隧道效應。不可穿越勢壘可隧穿勢壘經(jīng)典力學量子力學第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米材料具有很大的表面積/體積比，界面處的雜質濃度大大降低，因而具有更好的力學性能。納米陶瓷材料：晶粒尺寸減小，強度增加，塑性增強。納米磁性材料具有很高的磁化率和矯頑力，低飽和磁矩和磁滯損耗。納米材料在較寬的譜段范圍內顯示出均勻的光吸收特性。納米復合材料對光的反射度極低，但對電磁波的吸收性能極強，是隱形技術的突破第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米？納米概念的提出與發(fā)展？納米材料？納米材料的性能？納米材料的制備？第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米材料其實并不神密和新奇，自然界中廣泛存在著天然形成的納米材料，如蛋白石、隕石碎片、動物的牙齒、海洋沉積物等就都是由納米微粒構成的。人工制備納米材料的實踐也已有1000年的歷史，中國古代利用蠟燭燃燒之煙霧制成碳黑作為墨的原料和著色的染料，就是最早的人工納米材料。另外，中國古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗也已證實為納米SnO2顆粒構成的薄膜。第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述惰性氣體氣氛下蒸發(fā)凝聚法化學方法水熱法：水熱沉淀、合成、分解和結晶法（納米氧化物）水解法：溶膠凝膠法，溶劑揮發(fā)分解法，乳膠法，蒸發(fā)分解法綜合方法結合物理氣相法和化學沉積法而形成的制備方法。第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米？納米概念的提出與發(fā)展？納米材料？納米材料的性能？納米材料的制備？納米材料的應用前景？第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日概述納米復合陶瓷材料用于制作傳感器；聲波和電磁波的吸收納米磁性材料納米軟磁材料具有損耗低、高頻特性好、飽和磁化強度高，納米磁粉是一種理想的高紀錄密度的磁記錄材料。廣泛運用于電子器件，精密儀器，磁頭，磁盤，微型電機及計算機等方面。碳納米管第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1納米磁性材料是指材料的尺寸線度在納米級的準零維超細微粉，一維超薄膜或二維超細纖維或由它們組成的固態(tài)或液態(tài)的磁性材料。納米材料的介觀磁性1、量子尺寸效應2、超順磁性3、宏觀量子隧道效應4、磁有序顆粒的小尺寸效應5、磁相變溫度變化6、表面磁性（所謂介觀——介于宏觀物體和微觀分子，原子之間的狀態(tài)）第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1納米磁性材料納米磁性材料的組成3d過渡元素Fe和Co，具有高的Bs和Tc，是磁性的基本元素4f稀土族元素（Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Tb,Dy）具有高磁晶各項異性和高軌道磁矩類金屬C,P,B及N是使非晶結構在溫度高達幾百攝氏度仍能保持穩(wěn)定的元素第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1納米磁性材料分類納米粉體材料納米磁性薄膜材料納米磁記錄薄膜材料(RE-TM,GMR)納米超軟磁薄膜材料(微電感，微變壓器)納米復合磁性材料納米級合成磁鐵（NdFeB中加入HfB2）納米磁致冷材料（GGG到GGIG）納米巨磁阻材料第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1納米磁性材料巨磁電阻（GMR）當鐵磁性物質處于磁場中時電阻將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應。比常規(guī)的鐵磁金屬薄膜的磁電阻效應大幾倍或10倍的現(xiàn)象，稱為巨磁電阻效應。納米巨磁電阻納米多層膜：又稱“人工格”，“成分調制膜”。磁性層與非磁性層交錯而成的多層膜，一般表示為(A/B)n納米顆粒膜：將納米顆粒鑲嵌再互不相容的薄膜中形成的復合薄膜，通常采用磁控濺射和離子濺射工藝制備而成。第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1納米磁性材料納米巨磁電阻的應用高靈敏度磁傳感器超高密度磁電阻讀出磁頭磁電阻隨機存儲器（MRAM）高密度磁記錄第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日2納米陶瓷材料指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料。制備方法化學制備法（濕化學法，化學氣相法）物理制備法（惰性氣體冷凝法，PVD）性能機械性能：隨晶粒尺寸的減小，強度以指數(shù)關系提高，斷裂韌性、耐磨性增強。具有巨大的表面和界面，對外界的變化十分的敏感?？捎^察到新的發(fā)光現(xiàn)象。第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日3硅基納米發(fā)光材料指在硅上制作的具有納米尺寸的發(fā)光材料。分類多孔硅發(fā)光材料硅基低維發(fā)光材料（量子點、量子線）硅基超晶格和量子阱發(fā)光材料第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料指物理尺寸為納米級的碳分子材料巴基球&納米碳管（巴基管）第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料1985年，發(fā)現(xiàn)了巴基球(C60)；柯爾、克羅托和斯莫利在模擬宇宙長鏈碳分子的生長研究中，發(fā)現(xiàn)了與金剛石、石墨的無限結構不同的，具有封閉球狀結構的分子C60。因此，1996年獲得諾貝爾化學獎。1991年，日本電氣公司的S.

Iijima在制備C60、對電弧放電后的石墨棒進行觀察時，發(fā)現(xiàn)圓柱狀沉積?？盏墓軤钗镏睆?.7-30

nm，叫Carbon

nanotubes，(CNTs）。1992年，瑞士洛桑聯(lián)邦綜合工科大學的D.Ugarte等發(fā)現(xiàn)了巴基蔥(Carbonnanoonion)。2000年，北大彭練矛研究組用電子束轟擊單壁碳納米管，發(fā)現(xiàn)了Ф=0.33nm的碳納米管，但穩(wěn)定性較差。第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料2002年4月5日，美國紐約州的倫斯勒工業(yè)大學（RPIRensselar

PolytechnicInstitute）材料科學工學專業(yè)教授P.M.

Ajayan的研究小組報道制備出了“雛菊”2003年5月4日，日本信州大學和三井物產(chǎn)下屬的CNRI子公司研制成功Ф=0.4nm的碳納米管。同年，日本名古屋大學筱原久典教授制備出了納米電纜；2004年3月下旬,中國科學院高能物理研究所趙宇亮、陳振玲、柴之芳等研究人員，利用一定能量的中子與C70分子相互作用，首次成功合成、分離、表征了單原子數(shù)目富勒烯分子C141;2004年4月30日Science雜志報道，我國科學家合成出了C50Cl10(廈門大學)；第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料碳納米材料的分類富勒烯：碳的第四種同素異形體(金剛石、石墨和無定形碳)富勒烯包括：巴基球（C50、C60、C70、C76、C80、C82、C84、C90、C94等）、巴基管（單壁和多壁碳納米管）和巴基蔥納米金剛石第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料C601985年在太空碳分子實驗室中，偶然發(fā)現(xiàn)60個碳原子組成空心的籠狀結構的碳分子，后來人們發(fā)現(xiàn)石墨碳分子經(jīng)激光、電弧等強高溫加熱，或又在一定的催化劑（鐵基和鎳基）的幫助下，碳原子能形成C60分子。由12個五邊形和20個六邊形構成。具有抗輻照，抗化學腐蝕，不與腐蝕性化合物發(fā)應，并且在吸收或釋放電子時不受損傷。第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料C60結構C60分子中每一個C原子與周圍三個C原子形成3個σ鍵，剩余的軌道和電子共同組成離域π鍵，可簡單地將其表示為每個碳原子與周圍3個碳原子形成2個單鍵和1個雙鍵。C60的結構參數(shù)為C—C—C，鍵角平均為116o，雜化軌道類型為SP2.28，六邊形鍵長為0.1388nm，五邊形鍵長為0.1432nm，晶體型式為面心立方的分子晶體。第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料C60物理性質和化學性質黑色粉末，熔點>700℃，易溶于甲苯。電子親合勢2.6ev～2.8ev，傾向于得到電子抗沖擊能力強。具有非線性光學性能，室溫下是分子晶體，適當?shù)慕饘贀诫s后的C60表現(xiàn)出良好的導電性和超導性。第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料C60制備方法電弧放電法1990年,Kraschmer和Huffman等人苯火焰燃燒法1991年7月,麻省理工學院教授JackHoward及其實驗伙伴，從1000g純碳中得到3g富勒烯。高頻加熱蒸發(fā)石墨法1992年，Peter和Jansen等人，2700℃，150KPa,氮氣氛中第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料C60的應用超導材料有機超導體光電子材料光倍增器；太陽能電池材料半導體材料分子算盤第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料碳納米管碳納米管是由碳原子按一定規(guī)則排列形成的空心籠狀管式結構，其直徑不超過幾十納米（。導電性強、場發(fā)射性能優(yōu)良、強度是鋼的100倍、韌度高等，是一種用途廣泛的新材料。第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料碳納米管結構特性納米碳管在環(huán)形方向具有周期性其電學性質會受到管的直徑、卷繞的拓撲結構、管的長度以及吸附的其他極性分子的影響由于其內徑可以小至0.2nm，故可作為一維量子管若將其他物質填入內徑中，即可形成特殊結構的納米復合結構第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料碳納米管物理性質和化學性質高機械強度：鋼100倍強度，1/6重量高長徑比:103數(shù)量級高比表面:400-500m2/g金屬性半導體性第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料碳納米管的場發(fā)射特性碳納米管之所以可以作為場發(fā)射材料，取決于其結構特點和力學、電學性能。電導體，載流能力特別大；直徑可以小到1nm左右；化學性質穩(wěn)定，機械強度高、韌性好。第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料碳納米管的儲氫性能H2韓國Jeonbuk大學半導體科學技術及半導體物理研究中心的Lee等通過實驗及理論計算認為，氫以分子形式存在于碳納米管內腔中,并且預言單壁碳納米管的儲氫量與管徑成正比，多壁碳納米管的儲氫量則與管徑無關。從而可以實現(xiàn)用氫氣為燃料驅動無污染汽車。第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料碳納米管的吸附性能硝酸氧化處理后的碳納米管對鉛，銅和鎘離子顯示出了良好的吸附效果，單一金屬離子的吸附研究結果表明，碳納米管對鉛、銅和鎘離子的最大吸附容量分別為97.08，28.49和10.86mg/g；碳納米管對Pb2+的親合性最強，Cu2+次之，Cd2+最弱；碳納米管對3種金屬離子的吸附量隨著溶液pH值的升高和離子強度的減小而增加。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4納米碳分子材料碳納米管的制備方法電弧放電法催化裂解法(復合電極電弧催化法、碳氫化合物催化分解法CVD、)---化學氣相沉積法激光蒸發(fā)（燒蝕）法等離子體法增強等離子熱流體化學蒸氣分解沉積法PE-HF-CVD熱解聚合物法（化學熱解法）離子（電子