纳米科技概论(4)20140319(制备)

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1、纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期纳米科学技术概论纳米科学技术概论-4主讲教师：杨辉、郭兴忠主讲教师：杨辉、郭兴忠纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期纳米材料与结构的制备纳米材料与结构的制备一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质二、纳米材料的分类二、纳米材料的分类三、纳米材料制备概论三、纳米材料制备概论四、纳米材料制备方法简介四、纳米材料制备方法简介纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n1、纳米材料定义、纳米材料定义n2、纳米效应简介、纳米效应简介n3、纳米材料

2、的性质、纳米材料的性质纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质 据据纳米材料术语纳米材料术语（GB/T 19619-2004）所定义：）所定义： 纳米材料是物质结构在三维空间中至纳米材料是物质结构在三维空间中至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元构成的且具有特殊性质的材料。单元构成的且具有特殊性质的材料。纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n纳米效应简介纳米效应简介n1）、量子尺寸效应：）、量子尺寸效应：n粒子的尺寸

3、下降到某一值时，发生的下述两类现象：粒子的尺寸下降到某一值时，发生的下述两类现象：nA）金属纳米粒子的费米能级附近的电子能级由准连续变为）金属纳米粒子的费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象离散的现象；（金属表现为能级离散）；（金属表现为能级离散）nB）半导体纳米粒子存在不连续的被占据的最高分子轨道能）半导体纳米粒子存在不连续的被占据的最高分子轨道能级（满带）和最低未被占据的分子轨道能级（空带）之间能级（满带）和最低未被占据的分子轨道能级（空带）之间能隙变宽的现象隙变宽的现象。（半导体表现为带隙变宽）。（半导体表现为带隙变宽）nKubo理论（理论（P. 53）n = (4/3) (EF/

4、N) 1/V，式中，式中， 为为能级间距能级间距；EF为为费米费米能级能级；N为一个纳米粒子中总的为一个纳米粒子中总的导电电子数导电电子数，V为为纳米粒子纳米粒子的体积的体积；n当粒子为球形时，当粒子为球形时， 1/d3纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n纳米效应简介纳米效应简介n1）、量子尺寸效应：）、量子尺寸效应：nKubo理论（理论（P.53）的解读）的解读n = (4/3) (EF/N) 1/V；球形粒子则为：；球形粒子则为： 1/d3nA) 粒子较大，粒子较大，d很大，很大， 很小，能级连续，变为能带；很小，

5、能级连续，变为能带；nB) 粒子减小为纳米尺寸，能级间隔粒子减小为纳米尺寸，能级间隔 增大，变得非常明显，使得增大，变得非常明显，使得原来连续的能带出现了分裂；在这种情况下，与能带结构有关原来连续的能带出现了分裂；在这种情况下，与能带结构有关的材料性能，如磁、光、电、热、声等发生明显改变。的材料性能，如磁、光、电、热、声等发生明显改变。nC）金属纳米粒子：）金属纳米粒子：与块体金属的良导体特性明显不同：纳米金与块体金属的良导体特性明显不同：纳米金属粒子导电性变差，甚至可能变为绝缘体（粒子尺寸为数个纳属粒子导电性变差，甚至可能变为绝缘体（粒子尺寸为数个纳米大小时）米大小时）nd）半导体纳米粒子：

6、）半导体纳米粒子：硅纳米晶的能级变化硅纳米晶的能级变化n粒径粒径 块材块材 10纳米纳米 7纳米纳米 5纳米纳米 3纳米纳米n能级能级 1.12eV 1.20eV 1.29eV 1.62eV 2.60eV纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n量子尺寸效应图解：量子尺寸效应图解：量子尺寸效应图解量子尺寸效应图解纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n量子尺寸效应图例：量子尺寸效应图例：图片来源：图片来源：京都大学京都大学 平尾教授的平尾教授的浙大讲稿浙

7、大讲稿材料组成：材料组成：CdTe（碲（碲化镉半导体化镉半导体材料）材料）延长反应时间延长反应时间纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n纳米效应简介纳米效应简介n2）、小尺寸效应）、小尺寸效应n定义：当粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导相干长度定义：当粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导相干长度等物理特征尺寸相当或更小时，导致对应材料的光、电、声、磁、等物理特征尺寸相当或更小时，导致对应材料的光、电、声、磁、热等特性发生明显变化或者突然改变，有别于热等特性发生明显变化或者突然改变，有别于普通材料在物理、普通材料

8、在物理、化学性质方面特性的明显变化行为称为小尺寸效应。化学性质方面特性的明显变化行为称为小尺寸效应。n小尺寸效应的具体表现：小尺寸效应的具体表现：n光学特性的变化光学特性的变化n磁学特性的变化磁学特性的变化n热学特性的变化热学特性的变化n物相结构的变化物相结构的变化纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n小尺寸效应图例：小尺寸效应图例：光学特性：光学特性：宽频带强吸收宽频带强吸收吸收带蓝移或红移吸收带蓝移或红移纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n小

9、尺寸效应图例：小尺寸效应图例：磁学特性：磁学特性：超顺磁性超顺磁性矫顽力矫顽力纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n小尺寸效应图例：小尺寸效应图例：热学特性：熔点变化热学特性：熔点变化热学特性：烧结温度变低热学特性：烧结温度变低纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质一、纳米效应与纳米材料性质n小尺寸效应图例：小尺寸效应图例：非晶体非晶体小尺寸导致的晶体小尺寸导致的晶体非晶体变化非晶体变化热学特性：流变应力变化热学特性：流变应力变化热学特性：自由能变化热学特性：自由能变化纳米科

10、技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与纳米材料性质（一、纳米效应与纳米材料性质（10）n1、纳米效应简介、纳米效应简介n3）、表面效应）、表面效应n纳米粒子的表面原子数与总原子数之比例随纳米粒子尺寸的减小而纳米粒子的表面原子数与总原子数之比例随纳米粒子尺寸的减小而大幅度增加，纳米粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起大幅度增加，纳米粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米粒子与大块固体材料性能的明显变化；纳米粒子与大块固体材料性能的明显变化；n这种因为表面原子比例增加导致的特性变化效应称为表面效应。这种因为表面原子比例增加导致的特性变化效应称为表面效应。n

11、表面效应具体表现（非常有用！）表面效应具体表现（非常有用！）n表面原子活泼特性：表面原子活泼特性：n高的迁移扩散速率（烧结、加工）；高的迁移扩散速率（烧结、加工）；n高反应活性（催化、自燃）高反应活性（催化、自燃）n表面原子不稳定特性：表面原子不稳定特性：n吸附、团聚（纳米粒子的分散与表面改性的起因）吸附、团聚（纳米粒子的分散与表面改性的起因）n相结构变化，晶型稳定性、相结构变化，晶型稳定性、n表面的高能量特性：表面的高能量特性：n容易掺入杂质原子，偏析度提高（控制晶粒长大等）容易掺入杂质原子，偏析度提高（控制晶粒长大等）纳米科技概论纳米科技概论-4，2014学年春学期学年春学期一、纳米效应与