第四章超微颗粒粉体表面与界面优秀PPT.ppt
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1、第四章超微颗粒粉体表面与界面第一页,本课件共有55页4.1纳米材料纳米材料纳米材料的特征纳米材料的特征纳米材料的特征纳米材料的特征定义:纳米材料是定义:纳米材料是定义:纳米材料是定义:纳米材料是三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级(三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级(三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级(三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级(1-100nm1-100nm1-100nm1-100nm)的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。包括:纳米微粒、的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。包括:纳米微粒、的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。包括:纳米微粒、的尺度范围内或由此作为
2、基本单元构成的材料。包括:纳米微粒、纳米结构、纳米复合材料纳米结构、纳米复合材料纳米结构、纳米复合材料纳米结构、纳米复合材料;纳米效应:表面效应(界面和表面的悬键)、量子尺寸效应、体积效纳米效应:表面效应(界面和表面的悬键)、量子尺寸效应、体积效纳米效应:表面效应(界面和表面的悬键)、量子尺寸效应、体积效纳米效应:表面效应(界面和表面的悬键)、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应应、宏观量子隧道效应、界面相关效应应、宏观量子隧道效应、界面相关效应应、宏观量子隧道效应、界面相关效应。物质尺度到了纳米级后,由于表面电子能级(费米面)的变化(物质尺度到了纳米级后,由于表面电子能级(
3、费米面)的变化(物质尺度到了纳米级后,由于表面电子能级(费米面)的变化(物质尺度到了纳米级后,由于表面电子能级(费米面)的变化(KuboKuboKuboKubo效应)导致了纳米材料具有许多奇特的性能,从而使其具备奇异性和反常性,效应)导致了纳米材料具有许多奇特的性能,从而使其具备奇异性和反常性,效应)导致了纳米材料具有许多奇特的性能,从而使其具备奇异性和反常性,效应)导致了纳米材料具有许多奇特的性能,从而使其具备奇异性和反常性,能使多种多样的材料改性,用途极为广泛。上述五种效应是纳米材料的基本能使多种多样的材料改性,用途极为广泛。上述五种效应是纳米材料的基本能使多种多样的材料改性,用途极为广泛
4、。上述五种效应是纳米材料的基本能使多种多样的材料改性,用途极为广泛。上述五种效应是纳米材料的基本特性,它使纳米粒子和纳米固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质;特性,它使纳米粒子和纳米固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质;特性,它使纳米粒子和纳米固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质;特性,它使纳米粒子和纳米固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质;第二页,本课件共有55页纳米材料的基本单元包括:纳米材料的基本单元包括:零维:纳米尺寸的粒子零维:纳米尺寸的粒子一维:纳米粗细尺寸的棒、碳管、一维:纳米粗细尺寸的棒、碳管、线线二维:二维:指空间一维处于纳米尺度,指空间一维处于纳米尺度,如超薄膜、如超薄膜、
5、多层膜、超晶格对应多层膜、超晶格对应称为:量子点、量子线、量子阱称为:量子点、量子线、量子阱三维:纳米尺寸晶粒的三维块材三维:纳米尺寸晶粒的三维块材料料copper nanocrystalsZnOA7 phageZnS nanocrystals第三页,本课件共有55页1表面效应表面效应粒子直径减少到纳米级,粒子直径减少到纳米级,表面原子数表面原子数和和比表面比表面积、表面能积、表面能都会迅速增加;处于表面的原子数增多,都会迅速增加;处于表面的原子数增多,使大部分原子的周围(晶场)环境和结合能与大块使大部分原子的周围(晶场)环境和结合能与大块固体内部原子有很大的不同:表面原子周围缺少相固体内部原
6、子有很大的不同:表面原子周围缺少相邻的原子,有许多邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质,易与,具有不饱和性质,易与其它原子相结合,故具有很大的化学活性。其它原子相结合,故具有很大的化学活性。第四页,本课件共有55页表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系 第五页,本课件共有55页当粒子尺寸下降到当粒子尺寸下降到一定值一定值时时,颗粒的周期性边界条件消失,在颗粒的周期性边界条件消失,在声、光、电磁、热力学等奇异效应声、光、电磁、热力学等奇异效应.金属费米能级附近的电子能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,纳米半导体微粒存在不连续级由准连续变为离散能级的现象,纳米半导体微粒存
7、在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应隙变宽现象均称为量子尺寸效应2 2 2 2 量子尺寸量子尺寸效应效应微粒尺寸微粒尺寸量子尺寸效应量子尺寸效应导致微粒的磁、光、电、热及超导导致微粒的磁、光、电、热及超导性等与宏性等与宏观特性显著不同观特性显著不同.例如:例如:对银微粒而言,如取温度对银微粒而言,如取温度T=1K,d20nm,Ag纳米颗粒由纳米颗粒由导体变为非金属绝缘体。导体变为非金属绝缘体。第六页,本课件共有55页纳米纳米CdS的熔点与颗粒尺寸的关系的熔点与颗粒尺寸的关系图表明,几个纳
8、米的图表明,几个纳米的CdS熔点已降低至熔点已降低至1000K,1.5nm的的CdS熔点不到熔点不到600K 第七页,本课件共有55页3体积效应体积效应当超细微粒的尺寸与光波波长当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导德布罗意波长以及超导态的相干长度态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时,晶体周透射深度等物理尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件被破坏,导致声、光、磁、热、力等特性期性的边界条件被破坏,导致声、光、磁、热、力等特性呈现新的效应。呈现新的效应。s纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的1016-1019倍倍铁磁性物质(铁磁性物质(5nm)出现极强
9、的顺磁效应出现极强的顺磁效应s惰性的惰性的Pt纳米微粒化后纳米微粒化后Pt黑是活性极好的催化剂黑是活性极好的催化剂s金属纳米微粒后金属纳米微粒后无金属光泽,对光显示极强的吸无金属光泽,对光显示极强的吸收性收性第八页,本课件共有55页Optical properties of nanodisks Ag differing by their sizes over the range 20 nm to 100 nm.第九页,本课件共有55页4宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应近来年,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的近来年,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以及电荷磁化强度
10、、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化势垒而产生变化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。限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限 确立了现在微电子器件进一步微型化的极限确立了现在微电子器件进一步微型化的极限第十页,本课件共有55页 5 5 界面相关效应界面相关效应由于纳米结构材料中有大量的界面,与单晶材料相比,纳米结构材料具有由于纳米结构材料中有大量的界面,与单晶材料相比,纳米结构材料具有由于纳米结构材料中有大量的界面,与单晶材
11、料相比,纳米结构材料具有由于纳米结构材料中有大量的界面,与单晶材料相比,纳米结构材料具有反常高的扩散率,它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响;可以在较低反常高的扩散率,它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响;可以在较低反常高的扩散率,它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响;可以在较低反常高的扩散率,它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响;可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂,并可使不混溶金属形成新的合金相;出现的温度对材料进行有效的掺杂,并可使不混溶金属形成新的合金相;出现的温度对材料进行有效的掺杂,并可使不混溶金属形成新的合金相;出现的温度对材料进行有效的掺杂,并可使不混溶金属形成新的合金相;出现
12、超强度、超硬度、超塑性等超强度、超硬度、超塑性等超强度、超硬度、超塑性等超强度、超硬度、超塑性等 界面相关效应:纳米铜材的超塑性(中科院卢柯)界面相关效应:纳米铜材的超塑性(中科院卢柯),纳米粒子界面中原子纳米粒子界面中原子的超快扩散能力导致了纳米铜具有超塑变形的能力。的超快扩散能力导致了纳米铜具有超塑变形的能力。纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的1016-1019倍倍第十一页,本课件共有55页纳米材料的特殊性质s光学性质1)纳米材料的荧光发射峰发生蓝移或者红移蓝移或者红移;纳米Y2O3:EU3的发射荧光谱存在明显的蓝移,从618nm蓝移到610nm;2)纳米Al2O
13、3粉体对250 nm以下的紫外光有很强的吸收能力3)纳米TiO2对400 nm以下的紫外光具有较强的吸收能力4)Fe2O3纳米粉体对600 nm以下的光有良好的吸收能力。s磁性质s催化性质s增强、增韧性质s润滑性质等第十二页,本课件共有55页4.1.2 4.1.2 纳米材料制备综述纳米材料制备综述固相法高能球磨法搅拌磨法震动磨法s化学方法化学方法液相法液相法化学沉淀法(均匀沉淀法,共沉淀法);水解法(醇盐,卤化物);溶胶-凝胶法;水热法化学法气相法化学法气相法气溶胶法;激光法;等离子法;裂解法;氧化法物理法物理法气相法气相法第十三页,本课件共有55页某纳米颗粒的制备第十四页,本课件共有55页4
14、.2粉体表面处理技术粉体表面处理技术超微粒材料的表面积大表面能大活性高颗粒之间作用强容易聚集容易失活等特点容易失活等特点 因此,往往利用上述特点对超微粒材料开展的研究和应用。Polyaniline/TiO2 Composite Nanotubes第十五页,本课件共有55页纳米颗粒的纳米颗粒的容易聚集特性作为容易聚集特性作为基本基本单元构建以下材料形成了当今纳米单元构建以下材料形成了当今纳米科技的主旋律:科技的主旋律:一维:纳米粗细尺寸的棒、碳管、一维:纳米粗细尺寸的棒、碳管、线线二维:二维:指空间一维处于纳米尺度,指空间一维处于纳米尺度,如超薄膜、如超薄膜、多层膜、超晶格对应称为:多层膜、超晶
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