2 纳米材料基本概念.docx

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1、2纳米材料基本概念第二章纳米材料基本概念1.基本概念1.1纳米材料广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的具有特殊性能的材料。纳米材料的分类?假如按维数，纳米材料能够分为下面三类：?1零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。?2一维：指在空间中有二维尺度处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。?3二维：指在空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜等。假如按形状，纳米材料能够分为?纳米颗粒和粉体、纳米管、纳米线、纳米带、纳米片、纳米薄膜、介孔材料纳米棒、纳米丝与纳米线:2.纳米材料的基本单元?团簇(clusters)?纳米粒子na

2、noparticle?一维纳米材料(1D)?量子阱、量子线、量子点?纳米孔洞2.1团簇(clusters)团簇是各种物质由原子、分子向大块物质转变的过渡状态，或者讲，团簇代表了凝聚态物质的初始状态，是介于原子、分子与宏观固体之间的物质构造的新层次，有时被称为物质的第五态。?团簇作为一类新的化学物种，直到20世纪80年代才被发现。?团簇是指几个至几百个原子的聚集体,其粒径小于或等于1nm，如Fen,CunSm,CnHm和碳族C60，C70)等等。团簇的分类：1一元原子团簇，如：Nan,Nin,C60,C70.2二元团簇，如：InnPm,AgnSm.3多元团簇，如：Vn(C6H6)m4原子簇化合物

3、，使原子团簇与其他分子以配位键结合构成的化合物例如，某些含Fe-S团簇的蛋白质分子。团簇的特点：团簇往往产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。对于尺寸较小的团簇，每增加一个原子，团簇的构造发生变化，所谓重构。而当团簇大小到达一定尺寸时，变成大块固体的构造，此时除了外表原子存在驰豫外，增加原子不再发生重构，其性质也不会发生显著改变，这就是临界尺寸。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，不同于分子建议弱的互相作用结合而成的聚集体以及周期性很强的晶体。其形状能够是多种多样的，已知的有球状、骨架状、洋葱状、管状、层状、线状等。除惰性气体外，均是以化学键严密结合的聚集体。团簇的幻数：在各种团簇的质

4、谱分析中，有一个共同的规律：在团簇的丰度随着所含原子数目n的增大而缓慢下降的经过中，在某些特定值n=N，出现忽然加强的峰值，表明具有这些特定原子分子数目的团簇具有十分高的热力学稳定性。这个数目N就叫做团簇的幻数。这种特征，与原子中的电子状态，原子核中的核子状态很类似，表明团簇也具有壳层构造。这与对称性和互相作用势密切相关。团簇的性质及用处：团簇的物理和化学性质随所含原子数目而变化，其很多性质即不同于单个原子、分子，也不同于大块固体或液体，例如幻数和壳构造、量子尺寸效应、外表效应和库仑爆炸等。团簇在量子点激光、单电子晶体管、尤其作为构造构造单元研制新材料有广阔的应用前景。正像胚胎学以其特殊的方式

5、讲明生物学规律一样，团簇研究有助于我们认识凝聚物质的某些性质和规律。2.2纳米粒子纳米粒子纳米颗粒、纳米微粒、超微粒子、纳米粉：一般指颗粒尺寸在1100nm之间的粒状物质。它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉。早期称作超微粒子。纳米颗粒是肉眼和一般的光学显微镜看不见的微小粒子。名古屋大学的上田良二R.Uyeda给纳米颗粒的定义是：用电子显微镜才能看到的颗粒称为纳米颗粒。纳米颗粒所含原子数范围在103107个1100nm。其比外表比块体材料大得多，加之所含原子数很少，通常具有量子效应、小尺寸效应、外表效应和宏观量子隧道效应，因此展现出很多特异的性质。2.3一维纳米材料纳米管、纳米线丝、纳米棒：指在

6、两维方向上为纳米尺度，长度比其它两维方向的尺度大得多，甚至为宏观量如毫米、厘米级的纳米材料。根据详细形状分为管、棒、线、丝等。通常纵横比小的称为纳米棒，纵横比大的称为纳米丝或纳米线。2.4量子阱、量子线、量子点若要严格定义量子点，则必须由量子力学(quantummechanics)出发。我们知道电子具有粒子性与波动性，电子的物质波特性取决于其费米波长(Fermiwavelength).在一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸，因而量子限域效应不显著。假如将某一个维度的尺寸缩到小於一个波长如图一所示，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱(quantumwe

7、ll)；假如我们再将另一个维度的尺寸缩到小於一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称为量子线(quantumwire)；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长下面时，就成为量子点了。由此可知，并非小到100nm下面的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子在材料内的费米波长来决定。一般而言，电子费米波长在半导体内较在金属内长得多，例如在半导体材料砷化鎵GaAs(100)中，费米波长约40nm，在铝金属中却只要0.36nm。量子阱-指载流子在两个方向如在X,Y平面内上能够自由运动，而在另外一个方向Z则遭到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长(d=h/(2mE)1/2)或电子的平均自

8、由程(L2DEG=h/q(2ns)1/2)相比较或更小。有时也称为二维超晶格。量子线-是指载流子仅在一个方向上能够自由运动，而在另外两个方向上则遭到约束。也叫一维量子线。量子点-是指载流子在三个方向上的运动都要遭到约束的材料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的。也叫零维量子点。人造原子ArtificialAtom：通常是指由一定数量的实际原子组成的具有显著量子力学特征的人造“原子集合体，尺寸一般小于100nm。人造原子是20世纪90年代提出来的一个新概念，美国加州大学物理系的McEuen把人造原子的内涵扩大为：准零维的量子点、准一维的量子线和准二维的量子圆盘，甚至把100纳米左右的量子器

9、件也看成人造原子。在人造原子中电子波函数的相干长度与人造原子的尺度相当时，电子不再可能被看成是在外场中运动的经典粒子。电子的波动性在输运中得到充分发挥，这将导致普适电导涨落、非局域电导等。因而，研究人造原子中电子的输运特性，十分是该系统表现出的独有的量子效应将为设计和制造新一代纳电子器件奠定理论基础。人造原子与真正原子的一样之处：1由离散的能级，电荷不连续；2电子填充规律也与原子类似，服从洪特规则。人造原子与真正原子的不同之处：1形状和对称性多种多样；2)电子间强交互作用比实际原子复杂的多；3实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是处于抛物线形得势阱中，具有向势阱底部下落的趋势

10、。由于库仑排挤作用，部分电子处于势阱上部，弱的束缚使他们具有自由电子的特征。人造原子的另一个重要特点是放入一个或拿出一个电子很容易引起电荷涨落，放入一个电子相当于对人造原子充电。这些现象是设计单电子晶体管的物理基础。2.5纳米孔多孔材料的分类，根据孔径大小：微孔，2nm;介孔，2-50nm;大孔，50nm.3.由纳米基本单元构筑的纳米材料3.1纳米固体纳米固体是由纳米颗粒构成的体相材料，包括块体和薄膜。以纳米颗粒为单元沿一维方向排列成纳米丝，在二维空间排列构成纳米薄膜，在三维空间能够堆积成纳米块体。?纳米固体的分类：按构成纳米固体的纳米颗粒的构造状态：纳米晶体材料，纳米非晶材料。按纳米颗粒组成

11、：纳米金属材料，纳米离子晶体材料，纳米半导体材料，纳米陶瓷材料。按纳米颗粒的相数：由单相纳米颗粒构成的固体为纳米相材料nanophasematerials,假如每个纳米颗粒本身由两相构成则相应的称为纳米复相材料nanomultiphasematerials。纳米固体的构造特点：含有大量的晶界、相界或位错等缺陷，界面上的原子所占比例非常高缺陷区原子的体积分数可与晶体内原子的体积分数相比较，边界区域集中了晶格错配，构成远离平衡的构造。3.2纳米复合材料0-0复合：不同成分，不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体0-3复合：把纳米粒子分散到常规的三维固体中0-2复合：把纳米粒子分散到二维薄膜材

12、料中介孔复合体：把纳米粒子填充到介孔材料的介孔之中3.3纳米构造纳米构造又称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。纳米构造指的是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系，它包括一维、二维和三维体系，如纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。基本单元包括纳米颗粒，团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。美国加利福尼亚大学洛伦兹伯克力国家实验室的科学家在（自然）杂志上发表论文，指出纳米尺度的图案材料是当代材料化学和物理学的重要前沿课题。可见，纳米构造的组装体系很可能成

13、为纳米材料研究的前沿主导方向。纳米构造的特性与意义?从基础研究角度：把人们对纳米材料基本物理效应的认识不断引向深化。把纳米材料的基本单元分离开来，使研究单个单元的行为、特性成为可能；有利于认识单元间的耦合效应，出现新现象、新规律，建立新原理。?从性能与应用的角度：纳米构造综合了物质本征特性、纳米尺度效应、组合引起的新功能等多项效应，可能具有一般纳米材料所不具备的特殊性能。通太多单元或组合方式的调控，可能最终实现对纳米构造各方面宏观性能的控制。4纳米材料研究的三个阶段从研究的内涵和特点大致可划分为三个阶段：?第一阶段1990年以前主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料构造的研究在80年代末期一度构成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。?第二阶段1994年前人们关注的热门是怎样利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。?第三阶段从1994年到如今纳米组装体系、人工组装合成的纳米构造的材料体系越来越遭到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热门。