納米材料的制備、表征及其應(yīng)用課件

一、納米材料的簡介二、納米材料的制備三、納米材料的表征四、納米材料的應(yīng)用五、結(jié)束語納米材料的制備、表征及其應(yīng)用1精選課件人高20億納米100萬納米

針頭紅血球分子及DNA1千納米1納米0.1納米氫原子Earth1.2x107mInGreek,“nano”meansdwarf納米是一個(gè)長度計(jì)量單位，1納米=10-9米。什么是納米(nanometer)？2精選課件原子分子原子團(tuán)簇納米粒子納米材料宏觀物體微觀宏觀3精選課件什么是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(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10-100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。4精選課件納米粉末納米纖維（管）納米膜納米塊納米材料的分類按結(jié)構(gòu)零維一維二維三維5精選課件納米粉末：又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。納米鐵粉納米銅粉納米鋁粉6精選課件納米纖維：指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。二氧化鈦納米纖維的電子顯微鏡照片納米纖維電鏡照片7精選課件納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。8精選課件納米塊：是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。9精選課件納米微粒的四大效應(yīng)（1）表面效應(yīng)

（2）量子尺寸效應(yīng)（3）小尺寸效應(yīng)

（4）宏觀量子隧道效應(yīng)10精選課件（1）表面效應(yīng)

是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。

Relationshipbetweentheratioofthesurfaceatomstowholeatomsandparticlesize尺寸小表面大活性高金屬的納米粒子在空氣中會燃燒無機(jī)材料的納米粒子暴露在大氣中會吸附氣體并與氣體進(jìn)行反應(yīng)11精選課件（2）量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸極小時(shí)，費(fèi)米能級附近的電子能級將由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級的現(xiàn)象。

12精選課件（3）小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米粒子尺寸與德布羅意波以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，對于晶體其周期性的邊界條件將被破壞，對于非晶態(tài)納米粒子其表面層附近原子密度減小，這些都會導(dǎo)致電、磁（強(qiáng)磁狀態(tài)向超順磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變）、光、聲、熱力學(xué)等性質(zhì)的變化，這稱為小尺寸效應(yīng)。13精選課件（4）宏觀量子隧道效應(yīng)

微觀粒子具有穿越勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。14精選課件納米科技的科學(xué)意義（1）納米科技將促使人類認(rèn)知的革命;

（2）納米科技將引發(fā)一場新的工業(yè)革命;（3）納米科技是一門綜合性的交叉學(xué)科.師昌緒院士為國家自然科學(xué)基金資助納米科技研究成果展覽題詞

15精選課件Nanofibres16精選課件Nanobelt/nanoribbonZnOSCIENCEVOL2919MARCH2001ZnOMaterialsLetters59(2005)1696–170017精選課件Nanopeapodhigh-resolution,low-temperaturescanningtunnelingmicroscope(STM)(Science----1February2002)18精選課件NanoringsJACS200519精選課件Nano-flowers中科院物理所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室李超榮副研究員、張曉娜、表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹則賢研究員通過應(yīng)力自組裝在無機(jī)體系A(chǔ)g/SiOx微米級的內(nèi)核/殼層結(jié)構(gòu)上成功地獲得了三角格子鋪排和斐波納契數(shù)花樣。研究內(nèi)容以Report形式于2005年8月5日發(fā)表在Science上。文章發(fā)表后在國際上引起了強(qiáng)烈的反響。Nanotechweb和ORFONScience網(wǎng)站當(dāng)天就分別以“應(yīng)變的微結(jié)構(gòu)形成類植物花樣”和“微觀世界的花朵”作了長篇介紹。20精選課件納米微粒的制備方法分類：根據(jù)是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，納米微粒的制備方法通常分為兩大類：物理方法和化學(xué)方法。根據(jù)制備狀態(tài)的不同，制備納米微粒的方法可以分為氣相法、液相法和固相法等;按反應(yīng)物狀態(tài)分為干法和濕法。大部分方法具有粒徑均勻，粒度可控，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)；有的也存在可生產(chǎn)材料范圍較窄，反應(yīng)條件較苛刻，如高溫高壓、真空等缺點(diǎn)。納米微粒的制備21精選課件納米粒子制備方法物理法化學(xué)法粉碎法構(gòu)筑法沉淀法水熱法溶膠－凝膠法冷凍干燥法噴霧法干式粉碎濕式粉碎氣體冷凝法濺射法氫電弧等離子體法共沉淀法均相沉淀法水解沉淀法納米粒子制備方法分類氣相反應(yīng)法液相反應(yīng)法氣相分解法氣相合成法氣－固反應(yīng)法其它方法(如球磨法)22精選課件納米粒子制備方法氣相法液相法沉淀法水熱法溶膠－凝膠法冷凍干燥法噴霧法氣體冷凝法氫電弧等離子體法濺射法真空沉積法加熱蒸發(fā)法混合等離子體法共沉淀法化合物沉淀法水解沉淀法納米粒子制備方法分類固相法粉碎法干式粉碎濕式粉碎化學(xué)氣相反應(yīng)法氣相分解法氣相合成法氣－固反應(yīng)法物理氣相法熱分解法其它方法固相反應(yīng)法23精選課件物理方法－粉碎法幾種典型的粉碎技術(shù)：球磨、振動球磨、振動磨、攪拌磨、膠體磨、納米氣流粉碎氣流磨一般的粉碎作用力都是幾種力的組合，大物塊被粉碎成納米級顆粒。24精選課件構(gòu)筑法是由小極限原子或分子的集合體人工合成超微粒子物理方法－構(gòu)筑法25精選課件物理構(gòu)筑－流動液面上真空蒸度法

26精選課件****27精選課件化學(xué)法主要是“自下而上”的方法，即是通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)之間的原子必然進(jìn)行組排，這種過程決定物質(zhì)的存在狀態(tài)），包括液相、氣相和固相反應(yīng)，從分子、原子出發(fā)制備納米顆粒物質(zhì)?；瘜W(xué)法包括氣相反應(yīng)法和液相反應(yīng)法。

氣相反應(yīng)法可分為：氣相分解法、氣相合成法及氣－固反應(yīng)法等液相反應(yīng)法可分為：沉淀法、溶劑熱法、溶膠－凝膠法、反相膠束法等化學(xué)合成方法28精選課件又稱單一化合物熱分解法。一般是將待分解的化合物或經(jīng)前期預(yù)處理的中間化合物行加熱、蒸發(fā)、分解，得到目標(biāo)物質(zhì)的納米粒子。一般的反應(yīng)形式為：A（氣）→B（固）＋C（氣）↑化學(xué)方法－氣相分解法原料通常是易揮發(fā)、蒸汽壓高、反應(yīng)性好的有機(jī)硅、金屬氯化物或其它化合物。Fe(CO)5(g)Fe(s)+5CO(g)SiH4(g)Si(s)+2H2(g)3[Si(NH)2]Si3N4(s)+2NH3(g)(CH3)4SiSiC(s)+6H2(g)2Si(OH)42SiO2(s)+4H2O(g)29精選課件通常是利用兩種以上物質(zhì)之間的氣相化學(xué)反應(yīng)，在高溫下合成為相應(yīng)的化合物，再經(jīng)過快速冷凝，從而制備各類物質(zhì)的納米粒子。一般的反應(yīng)形式為：A（氣）＋B（氣）→C（固）＋D（氣）↑激光誘導(dǎo)氣相反應(yīng)化學(xué)方法－氣相合成法3SiH4(g)+4NH3(g)Si3H4(s)+12H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g)2SiH4(g)+C2H4(g)2SiC(s)+6H2(g)BCl3(g)+3/2NH3(g)B(s)+3HCl(g)30精選課件

沉淀法通常是在溶液狀態(tài)下將不同化學(xué)成分的物質(zhì)混合，在混合溶液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯┲苽浼{米粒子的前驅(qū)體沉淀物，再將此沉淀物進(jìn)行干燥或煅燒，從而制得相應(yīng)的納米粒子。液相反應(yīng)法——沉淀法沉淀法主要分為：直接沉淀法、共沉淀法、均勻沉淀法、水解沉淀法、化合物沉淀法等31精選課件例如：1.在Ba，Ti的硝酸鹽溶液中加入草酸沉淀劑后，形成了單相化合物BaTiO(C2H4)2.4H2O沉淀。經(jīng)高溫分解，可制得BaTiO3的納米粒子。2.將Y2O3用鹽酸溶解得到Y(jié)Cl3，然后將ZrOCl2.8H2O和YCl3配成一定濃度的混合溶液，在其中加入NH4OH后便有Zr(OH)4和Y(OH)3的沉淀形成，經(jīng)洗滌、脫水、煅燒可制得ZrO2(Y2O3)的納米粒子。在含有多種陽離子的溶液中加入沉淀劑后，所有離子完全沉淀的方法稱為共沉淀法。根據(jù)沉淀的類型可分為單相共沉淀和混合共沉淀。關(guān)鍵在于：如何使組成材料的多種離子同時(shí)沉淀？？？?高速攪拌?過量沉淀劑?調(diào)節(jié)pH值沉淀法——共沉淀法32精選課件水熱氧化：mM+nH2O→MmOn+H2水熱沉淀：KF+MnCl2→KMnF2水熱合成：FeTiO3+KOH→K2O.nTiO2水熱還原：MexOy+yH2→xMe+yH2O水熱分解：ZrSiO4+NaOH→ZrO2+Na2SiO3水熱結(jié)晶：Al(OH)3→Al2O3.H2O液相反應(yīng)法——水熱法水熱過程是指在高溫、高壓下在水、水溶液或蒸氣等流體中所進(jìn)行有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的總稱。水熱條件能加速離子反應(yīng)和促進(jìn)水解反應(yīng)。33精選課件5mL0.02MAgNO3和5mL0.02MNaCl，加入到30mL蒸餾水中，攪拌生成AgCl膠體，然后0.04g,0.2mmol的葡萄糖溶在上述膠體溶液中，移入內(nèi)襯Teflon的50mL合成彈中，在加熱爐中180°C下保持18小時(shí)，空氣中冷卻至室溫，蒸餾水和酒精沖洗銀灰色沉淀，真空60°C干燥2小時(shí)。水熱法合成Ag納米粒子SEMimageofsamplesobtainedat180°CafterareactiontimeofA)6h,B)9h,C)12hChem.Eur.J.

2005,11,160-163.34精選課件基本原理是：將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)水解直接形成溶膠或經(jīng)解凝形成溶膠，然后使溶質(zhì)聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒去除有機(jī)成分，最后得到無機(jī)材料。液相反應(yīng)法——溶膠－凝膠法35精選課件納米材料的表征表征技術(shù)是指物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及其應(yīng)用的有關(guān)分析、測試方法，也包括測試、測量工具的研究與制造。表征的內(nèi)容包括材料的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等。組成：構(gòu)成材料的化學(xué)元素及其相關(guān)關(guān)系結(jié)構(gòu)：材料的幾何學(xué)、相組成和相形態(tài)等性質(zhì)：指材料的力學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)等36精選課件1.形貌，電子顯微鏡（TEM、SEM）,普通的是電子槍發(fā)射光電子，還有場發(fā)射的，分辨率和適應(yīng)性更好；2.結(jié)構(gòu)，一般是需要光電電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡不行3.晶形，單晶衍射儀，XRD，判斷納米粒子的晶形及結(jié)晶度4.組成，一般是紅外，結(jié)合四大譜圖，判斷核殼組成，只作為佐證5.性能，光-紫外，熒光；電--原子力顯微鏡（AFM），拉曼；磁--原子力顯微鏡或者專用的儀器納米材料表征手段37精選課件透射電子顯微鏡（TEM）的主要功能研究納米材料的結(jié)晶情況，觀察納米材料的形貌，分散情況評估納米粒子的粒徑。38精選課件高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)下的石墨烯圖片39精選課件掃描電子顯微鏡(SEM)SEM是一種多功能的電子顯微鏡分析儀器.1935年卡奴提出了SEM的工作原理1942年制造出了世界上第一臺SEM現(xiàn)代的SEM是劍橋大學(xué)歐特利與學(xué)生在1948-1965年間研究成果.SEM顯示各種圖象的依據(jù)是電子與物體的相互作用.40精選課件SEM的主要功能三維形貌的觀察和分析觀察分析納米材料的形貌直接觀察大樣品的原始表面41精選課件42精選課件43精選課件44精選課件45精選課件46精選課件掃描隧道顯微鏡(STM)STM針尖掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖

47精選課件STM在納米材料中的應(yīng)用測量單分子、單個(gè)納米顆粒、單根納米線和納米管等的電學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)特性.對表面進(jìn)行納米加工,構(gòu)建新一代的納米電子器件.48精選課件STM的優(yōu)點(diǎn)它有原子量級的極高分辨率(橫向可達(dá)0.1nm，縱向可達(dá)0.01nm),即能直接觀察到單原子層表面的局部結(jié)構(gòu)。比如表面缺陷、表面吸附體的形態(tài)和位置等.STM能夠給出表面的三維圖像STM可在不同的環(huán)境條件下工作,包括真空、大氣、低溫,甚至樣品可浸在水中或電解液中,所以適用于研究環(huán)境因素對樣品表面的影響.可研究納米薄膜的分子結(jié)構(gòu).49精選課件硅表面ImagesofNaClobtainedusingSTM50精選課件48個(gè)鐵原子在銅表面排列成直徑為14.2納米的圓形量子?xùn)艡谟肧TM的針尖將鐵原子一個(gè)個(gè)地排列成漢字，漢字的大小只有幾個(gè)納米51精選課件52精選課件1991年，IBM公司的“拼字”科研小組用STM針尖移動吸附在金屬表面的一氧化碳分子，拼成了一個(gè)大腦袋小人的形象。這個(gè)"分子人"從頭到腳只有5nm高，堪稱世界上最小的人形圖案。納米神算子——分子算盤科學(xué)家把碳60分子每十個(gè)一組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是，算珠不是用細(xì)桿穿起來，而是沿著銅表面的原子臺階排列的。

53精選課件54精選課件原子力顯微鏡AFM55精選課件AFM的主要應(yīng)用納米材料的形貌測定生物材料研究黏彈性材料的表面加工56精選課件X射線衍射法（XRD）XRD是鑒定物質(zhì)晶相的有效手段。利用XRD譜圖可以推斷出納米材料的結(jié)晶度和層狀結(jié)構(gòu)的有序度。利用XRD圖結(jié)合Debye-scherrer公式，又衍射峰的半高寬計(jì)算對應(yīng)晶面方向上的平均粒徑D=Rλ/βcosθ

D為粒子直徑，R為Scherrer常數(shù)（0.89）,λ為入射X光波長（0.15406nm），θ為衍射角（°），β為衍射峰的半高峰寬（rad）。57精選課件XRD在納米材料中的應(yīng)用物相結(jié)構(gòu)的分析介孔材料的分析納米薄膜的厚度以及界面結(jié)構(gòu)的測定.58精選課件石墨烯的XRD圖（a）石墨，（b）氧化石墨，（c）石墨烯XRDpatternsofgraphite(a)、graphiteoxide(b)andgraphene(c)59精選課件Raman光譜可獲得的信息拉曼光譜是碳材料分析與表征的最好工具之一。Raman特征頻率材料的組成Raman譜峰的改變加壓/拉伸狀態(tài)Raman偏振峰晶體的對稱性和取向Raman峰寬晶體的質(zhì)量60精選課件石墨烯的Raman光譜（a）石墨，（b）氧化石墨，（c）石墨烯

Ramanspectraofgraphite(a),graphiteoxide(b)andgraphene(c)61精選課件納米材料是21世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)航空航天化工領(lǐng)域微電子領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域陶瓷領(lǐng)域國家安全其它領(lǐng)域…光電領(lǐng)域納米技術(shù)推動GDP快速增長納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用62精選課件1.汽車尾氣

含鉛汽油中的鉛很容易通過血液長期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中，從而導(dǎo)致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果。汽車尾氣的處理：加入納米級的復(fù)合稀土氧化物后，對尾氣的凈化特別明顯，尾氣中的CO、NOx幾乎完全轉(zhuǎn)化?；ゎI(lǐng)域納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用63精選課件2.拯救水資源特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化；納米TiO2可以用來降解有機(jī)磷，降解毛紡染整廢水，降解石油……納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用64精選課件利用具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有較高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。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。目前，日本等國已有部分納米二氧化鈦的化妝品問世。納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用65精選課件3.走進(jìn)你家里納米TiO2：在光照條件下，會產(chǎn)生具有非常強(qiáng)的氧化能力的空穴，從而將附在表面上的有機(jī)物、細(xì)菌及其它灰塵分解掉，直至生成CO2和H2O。殺菌、除味：由于納米ZnO具有大的比表面積，可以很快地吸收并分解臭氣，同時(shí)還能有效地殺菌。對黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率高達(dá)95%以上。納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用66精選課件二個(gè)月不用洗——信不信由你納米服裝納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用67精選課件防彈衣因納米碳管既輕又強(qiáng)度極高，是鋼的10—100倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵御強(qiáng)大的子彈的沖擊力。納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用68精選課件陶瓷領(lǐng)域

納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用摔不碎的陶瓷不粘的陶瓷69精選課件微電子領(lǐng)域

1989年，IBM公司的科學(xué)家就已經(jīng)利用隧道