材料物理课件5纳米材料与纳米效应.ppt
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1、 5 纳米材料与纳米效应纳米材料与纳米效应 1.纳米材料的定义纳米材料的定义:任何至少有一个维度的尺寸介于任何至少有一个维度的尺寸介于1 1nm至至100100nm之间的基本单元组成的材料称为纳米材料。之间的基本单元组成的材料称为纳米材料。具有尺寸在具有尺寸在1nm至至100nm之间的纳米结构的之间的纳米结构的材料也可广义地称之为纳米材料。材料也可广义地称之为纳米材料。纳米颗粒纳米颗粒 纳米线纳米线 纳米薄膜纳米薄膜具有纳米厚度的钝化膜的普通金属具有纳米厚度的钝化膜的普通金属“纳米塑料纳米塑料”2022/10/271 纳米材料及纳米科技的发展纳米材料及纳米科技的发展 2020世纪世纪8080年
2、代年代研究手段:扫描隧道显微镜(研究手段:扫描隧道显微镜(STMSTM)原子力显微镜原子力显微镜 (AFMAFM)用用STMSTM针尖搬动针尖搬动4848个个FeFe原子组成的量子栅栏原子组成的量子栅栏 CoCo原子在原子在CuCu(111111)面上组成的人工点阵面上组成的人工点阵2022/10/272 由由C60组成的组成的“纳米算盘纳米算盘”(每个(每个C C6060珠子可由珠子可由STMSTM针尖移动代表针尖移动代表1-101-10)2022/10/2731、尺寸效应、尺寸效应一、纳米材料的基本效应一、纳米材料的基本效应 当纳米材料的组成相的尺寸(如晶粒的尺寸、第二相的尺当纳米材料的组
3、成相的尺寸(如晶粒的尺寸、第二相的尺寸)减小时,纳米材料的性能将发生明显的变化或突变。寸)减小时,纳米材料的性能将发生明显的变化或突变。纳米材料具有尺寸效应的基础是量子效应和表面(或界纳米材料具有尺寸效应的基础是量子效应和表面(或界面)效应。面)效应。Ni3Al合金的流变应力与沉合金的流变应力与沉淀粒子淀粒子Ni3Al尺寸的关系尺寸的关系纳米纳米ZnO光致发光谱光致发光谱(随着(随着ZnO尺寸的减小尺寸的减小光致发光强度随激发光光致发光强度随激发光的波长减小而增加)的波长减小而增加)纳米晶纳米晶Cu的自由能随晶的自由能随晶粒尺寸粒尺寸D和温度的变化和温度的变化(当尺寸(当尺寸D小于时,小于时,
4、nc Cu的的G大于非晶态大于非晶态Cu的的G而不而不能维持晶态)能维持晶态)2022/10/2742、量子效应(、量子效应(1)小尺寸系统的量子效应,是指电子的能量被量子化,形成小尺寸系统的量子效应,是指电子的能量被量子化,形成分立的电子态能级,电子在该系统中的运动受到约束。分立的电子态能级,电子在该系统中的运动受到约束。随着金属粒子尺寸的减小,金属费米能级附近的电子能级随着金属粒子尺寸的减小,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象,以及半导体微粒存在不连续由准连续变为离散能级的现象,以及半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道,能隙变宽的最高被占据分子轨
5、道和最低未被占据分子轨道,能隙变宽的现象,均称为量子效应。的现象,均称为量子效应。金属和半导体的原子、金属和半导体的原子、单个粒子及块体的电子单个粒子及块体的电子能级示意图能级示意图 a)金属)金属 b)半导体)半导体2022/10/2752、量子效应(、量子效应(2)久保(久保(Kubo)公式:)公式:1)从一个超细粒子中取走或放入一个电子都)从一个超细粒子中取走或放入一个电子都是十分困难的。因此超细微粒保持电中性。是十分困难的。因此超细微粒保持电中性。从一个超细粒子中取走或放入一个电子需要克服库从一个超细粒子中取走或放入一个电子需要克服库仑力所作的功仑力所作的功W为:为:随着随着d值的下降
6、,值的下降,W值增加,所以低温下热涨落很难值增加,所以低温下热涨落很难改变超微粒子的电中性。改变超微粒子的电中性。2022/10/2762、量子效应(、量子效应(3)久保(久保(Kubo)公式:)公式:2)相邻电子能级间隙)相邻电子能级间隙Eg和微粒直径和微粒直径d之间的关系:之间的关系:其中其中N为一个超细粒子的总导电电子数,为一个超细粒子的总导电电子数,V为粒子的为粒子的体积,体积,EF为费米能级。为费米能级。如果假定粒子为球形,则:如果假定粒子为球形,则:2022/10/2772、量子效应(、量子效应(4)对比两个公式,可知随着粒子直径的减小,对比两个公式,可知随着粒子直径的减小,Eg比
7、比W增大增大要快两个数量级。要快两个数量级。因此,当粒子直径减小到某一临界值时,因此,当粒子直径减小到某一临界值时,Eg要大于要大于W,即:即:当微粒的能隙大于电子的当微粒的能隙大于电子的kB时,热运动不能使电子跃过能隙,时,热运动不能使电子跃过能隙,电子的状态受到限制,表现出量子效应。对于金属材料,由于电子的状态受到限制,表现出量子效应。对于金属材料,由于费米面附近的能隙很小,只有当其颗粒非常小时才会产生明显费米面附近的能隙很小,只有当其颗粒非常小时才会产生明显的量子效应。的量子效应。这是粒子产生量子效应的判据,其中这是粒子产生量子效应的判据,其中kBT为热能。为热能。对于半导体材料,出现量
8、子效应的尺寸要比金属粒子的尺对于半导体材料,出现量子效应的尺寸要比金属粒子的尺寸大得多,其量子效应主要表现为导带与价带间的带隙变宽且寸大得多,其量子效应主要表现为导带与价带间的带隙变宽且出现能级分离。出现能级分离。2022/10/2783、界面效应、界面效应 由于纳米粒子的尺寸越小,位于表面的原子所占的比例也由于纳米粒子的尺寸越小,位于表面的原子所占的比例也越大,表面效应越显著。越大,表面效应越显著。粒子表面原子所占比例与粒子表面原子所占比例与粒子直径的关系粒子直径的关系Bcc和和fcc合金的晶界体积合金的晶界体积分数与晶粒直径的关系分数与晶粒直径的关系2022/10/2793、界面效应(、界
9、面效应(2)由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。例如金属纳米粒子在空气很容易与其他原子结合。例如金属纳米粒子在空气中会燃烧,无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,中会燃烧,无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体进行反应。并与气体进行反应。纳米粒子表面及表面原子的特点:纳米粒子表面及表面原子的特点:1)具有大量未被原子占据的位置或空间。)具有大量未被原子占据的位置或空间。2)具有低的配位数和密度。)具有低的配位数和密度。3)大的原子均方间距
10、。)大的原子均方间距。4)存在三叉晶界(也称旋错)存在三叉晶界(也称旋错 Disclination)。)。2022/10/27104、宏观量子隧道效应、宏观量子隧道效应 近来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁近来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效化强度,量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。应,称为宏观的量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应无论在基础研究还是实际应宏观量子隧道效应无论在基础研究还是实际应用方面都有着非常重要的意义,它限定了磁带、磁用
11、方面都有着非常重要的意义,它限定了磁带、磁盘进行信息储存的时间及空间极限。盘进行信息储存的时间及空间极限。2022/10/2711二、二、纳米材料的制备方法(纳米材料的制备方法(1 1)1、气相制备法、气相制备法 将高温的蒸气在冷阱中冷凝或在衬底上沉将高温的蒸气在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长出低维纳米材料的方法。积和生长出低维纳米材料的方法。采用气相法可合成纳米粉体、纳米丝和生采用气相法可合成纳米粉体、纳米丝和生长出超晶格薄膜和量子点等。长出超晶格薄膜和量子点等。物理物理气相沉积法(气相沉积法(PVD)化学化学气相沉积法(气相沉积法(CVD)2022/10/2712二、二、纳米材料的制备方法
12、(纳米材料的制备方法(2 2)2、液相合成法、液相合成法 先将所需组分溶解在液体中形成均相溶液,先将所需组分溶解在液体中形成均相溶液,然后通过反应沉淀得到所需组分的前驱物,再然后通过反应沉淀得到所需组分的前驱物,再经过热分解得到所需物质。经过热分解得到所需物质。沉淀法(沉淀法(Precipitation)微乳液法微乳液法(Micro-emulsion)溶胶溶胶-凝胶法凝胶法(Sol-gel method)电解沉积法电解沉积法(Electrodeposition)水解法水解法(Hydrolyzation)溶剂蒸发法溶剂蒸发法(Solvent Evaporation)2022/10/2713二、二
13、、纳米材料的制备方法(纳米材料的制备方法(3 3)3、固相制备法、固相制备法 固体材料在不发生熔化、气化的情况下使固体材料在不发生熔化、气化的情况下使原始晶体细化或反应生成纳米晶体的过程。原始晶体细化或反应生成纳米晶体的过程。机械研磨法(机械研磨法(Mechanical Milling)固相反应法固相反应法(Solid Reaction)大塑性变形法大塑性变形法(Severe Plastic Deformation)非晶晶化法非晶晶化法(Crystallization of Amorphous Materials)表面纳米化法表面纳米化法(Surface Nanocrystallization
14、)2022/10/2714二、二、纳米材料的制备方法(纳米材料的制备方法(4 4)4、自组装、模板合成和纳米印刷、自组装、模板合成和纳米印刷 纳米材料和结构的自组装、模板合成和纳米印刷技纳米材料和结构的自组装、模板合成和纳米印刷技术,是纳米技术的热点和前沿研究课题,它集合了物理术,是纳米技术的热点和前沿研究课题,它集合了物理学、化学、生物学和材料科学的许多重要的研究成果。学、化学、生物学和材料科学的许多重要的研究成果。纳米材料的自组装,是在合适的物理、化学条件纳米材料的自组装,是在合适的物理、化学条件下,原子团、大分子、纳米丝或纳米晶体等结构单元,下,原子团、大分子、纳米丝或纳米晶体等结构单元
15、,通过氢键、范德华力、静电力等非共价键的相互作用,通过氢键、范德华力、静电力等非共价键的相互作用,亲水亲水-疏水相互作用等自发地形成具有纳米结构材料的疏水相互作用等自发地形成具有纳米结构材料的过程。过程。自组装自组装(Self-Assembly)自组装自组装的过程无外来因素的影响的过程无外来因素的影响2022/10/2715二、二、纳米材料的制备方法(纳米材料的制备方法(5 5)这种方法首先需要制备模板,模板根据其结构的这种方法首先需要制备模板,模板根据其结构的不同可分为软模板和硬模板两大类。不同可分为软模板和硬模板两大类。软模板主要应用于介孔或多孔材料的自组装过程,软模板主要应用于介孔或多孔
16、材料的自组装过程,合成物的结构与模板的有序孔结构或胶体晶结构相同。合成物的结构与模板的有序孔结构或胶体晶结构相同。硬模板通常为多孔的薄膜或厚膜,反应物在模板硬模板通常为多孔的薄膜或厚膜,反应物在模板孔洞限制的介质环境中填充模板中孔洞,以获得具有孔洞限制的介质环境中填充模板中孔洞,以获得具有模板孔洞尺寸和排列相同的纳米材料或结构。模板孔洞尺寸和排列相同的纳米材料或结构。模板合成模板合成(Template Synthesis)2022/10/2716二、二、纳米材料的制备方法(纳米材料的制备方法(6 6)纳米印刷技术纳米印刷技术(Nanolithography Techniques)纳米印刷技术纳
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- 材料 物理 课件 纳米 效应
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