纳米材料及制备技术

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1、第 9 章 二维纳米材料的制备材料科学与工程学院材料科学与工程学院二维纳米材料（纳米薄膜）的制备1、什么是二维纳米材料2、纳米薄膜材料的性质及应用3、纳米薄膜的制备方法1、什么是二维纳米材料1.1 纳米材料及其分类纳米材料及其分类 纳米材料的基本定义是该材料的基本单元至少纳米材料的基本定义是该材料的基本单元至少有一维的尺寸在有一维的尺寸在1-100nm范围内（并且范围内（并且拥有特殊的拥有特殊的效应和性能效应和性能） 。纳米材料的基本单元按照维数可以。纳米材料的基本单元按照维数可以分为四类，即：分为四类，即：零维纳米材料（颗粒等）一维零维纳米材料（颗粒等）一维纳米材料（纳米丝，纳米管，如纳米材

2、料（纳米丝，纳米管，如Carbon nanotubes）二维纳米材料（纳米薄膜材料等）二维纳米材料（纳米薄膜材料等）三维纳米材料（块体材料，如纳米陶瓷等）三维纳米材料（块体材料，如纳米陶瓷等）1.2 二维纳米材料二维纳米材料 由以上可得，二维纳米材料是指在三维空间中由以上可得，二维纳米材料是指在三维空间中仅仅有一维在纳米尺度，其余两维在宏观尺度有一维在纳米尺度，其余两维在宏观尺度（薄膜材（薄膜材料）料） 。纳米薄膜材料是指：。纳米薄膜材料是指：尺寸在纳米量级的晶尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌某种薄粒（或颗粒）构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌某种薄膜中构成的复合薄膜。膜中

3、构成的复合薄膜。每层厚度都在纳米量级的单每层厚度都在纳米量级的单层或多层薄膜（厚度接近层或多层薄膜（厚度接近电子自由程电子自由程和和德拜长度德拜长度约约10100nm），有时也称为），有时也称为纳米晶粒膜纳米晶粒膜和和纳米多层膜纳米多层膜。其性能与其晶粒尺寸、薄膜厚度、表面粗糙度等有关。其性能与其晶粒尺寸、薄膜厚度、表面粗糙度等有关。5 石墨烯微观结构示意图石墨烯微观结构示意图 电子显微镜下的石墨烯结构电子显微镜下的石墨烯结构 TiO2光催化薄膜光催化薄膜 纳米薄膜热电材料纳米薄膜热电材料6 石墨烯是由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格材料，石墨烯是由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格材料，只有一个碳原子

4、厚度。它发现于只有一个碳原子厚度。它发现于2004 年（年（Andre K. Geim）。石墨烯的单原子纳米结构赋予它许多无以）。石墨烯的单原子纳米结构赋予它许多无以伦比的独特性能，它是迄今发现的伦比的独特性能，它是迄今发现的厚度最薄、强度却厚度最薄、强度却最高、结构最致密的材料最高、结构最致密的材料，并拥有电学、光学、化学，并拥有电学、光学、化学等卓越性能，这是它被广泛应用于各个领域。如电池、等卓越性能，这是它被广泛应用于各个领域。如电池、半导体、汽车、传感器、航空航天等。半导体、汽车、传感器、航空航天等。 类似于石墨烯这种拥有特殊性质的二维纳米材料类似于石墨烯这种拥有特殊性质的二维纳米材料

5、还有很多。它们各自拥有的特殊性能，都得益于其一还有很多。它们各自拥有的特殊性能，都得益于其一个方向上的纳米尺寸。个方向上的纳米尺寸。71.3 纳米薄膜的分类纳米薄膜的分类 按分布情况分按分布情况分颗粒膜：纳米颗粒粘在一起形成的薄膜，颗粒颗粒膜：纳米颗粒粘在一起形成的薄膜，颗粒 间有极小的间隙。间有极小的间隙。致密膜：膜层致密，晶粒尺寸均为纳米级。致密膜：膜层致密，晶粒尺寸均为纳米级。 按应用角度分按应用角度分纳米功能薄膜：利用纳米材料所具有的纳米功能薄膜：利用纳米材料所具有的光、电、磁等光、电、磁等 方面的特性方面的特性，通过组成薄膜使材料整，通过组成薄膜使材料整 体具有特殊的纳米功能。体具有

6、特殊的纳米功能。纳米结构薄膜：主要是通过适当的手段纳米结构薄膜：主要是通过适当的手段形成具有纳米形成具有纳米 尺寸或纳米孔洞等纳米结构的薄膜，尺寸或纳米孔洞等纳米结构的薄膜， 通过这些结构体现出拉米效应。通过这些结构体现出拉米效应。8 按膜层材料分按膜层材料分金属膜（如金属膜（如Au、Ag等）、合金膜（如等）、合金膜（如Cr-Fe、Pb-Cu等）、氧化物薄膜（如等）、氧化物薄膜（如TiO2光催化薄膜）、光催化薄膜）、非氧化物无机膜、有机化合物膜等非氧化物无机膜、有机化合物膜等 按膜的功能分按膜的功能分纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏膜纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏膜纳米滤膜、纳米润滑

7、膜、纳米多孔膜、纳米滤膜、纳米润滑膜、纳米多孔膜、LB（Langmuir Buldgett）膜（）膜（用特殊的装置将不用特殊的装置将不溶物膜按一定的排列方式转移到固体支持体上组溶物膜按一定的排列方式转移到固体支持体上组成的单分子层或多分子层膜成的单分子层或多分子层膜）、）、SA（分子自组（分子自组装）膜装）膜92、纳米薄膜材料的性质及应用2.1 纳米薄膜的特殊性质纳米薄膜的特殊性质 纳米薄膜除了拥有纳米材料所具有的特性和效纳米薄膜除了拥有纳米材料所具有的特性和效应以外，由于薄膜的材料的组成、结构、成膜工艺应以外，由于薄膜的材料的组成、结构、成膜工艺条件等的不相同，使得薄膜材料还具有一些特殊的条

8、件等的不相同，使得薄膜材料还具有一些特殊的性质。性质。 电学特性电学特性 纳米薄膜的电学特性不仅与其纳米薄膜的电学特性不仅与其厚度厚度有关有关, 而且还而且还与薄膜中的与薄膜中的颗粒尺寸颗粒尺寸有关。有关。 金金属属, 当尺寸减小到当尺寸减小到纳纳米米数量级时数量级时，其电学行为发生很其电学行为发生很大大的变化的变化。例如有。例如有10研究发现，在研究发现，在Au / Al2O3的颗粒膜上观察到电阻反常的颗粒膜上观察到电阻反常现象，随着现象，随着Au含量的增加（增加纳米含量的增加（增加纳米Au颗粒的数量）颗粒的数量）电阻不但不小减小电阻不但不小减小, 反而急剧增加。该实验表明，反而急剧增加。该

9、实验表明，材材料的导电性与材料颗粒的临界尺寸有关料的导电性与材料颗粒的临界尺寸有关。当材料颗粒。当材料颗粒小于临界尺寸时，它可能失去原来的电学特性。小于临界尺寸时，它可能失去原来的电学特性。 Fauchet等利用等利用PECVD（等离子体化学气相沉（等离子体化学气相沉积法）法制得的纳米晶积法）法制得的纳米晶Si膜，膜， 并对其电学性质进行并对其电学性质进行了研究，结果观察到纳米晶了研究，结果观察到纳米晶Si膜的电导率大大增加膜的电导率大大增加, 比常规非晶比常规非晶Si膜提高了膜提高了9个数量级。个数量级。 光学特性光学特性 纳米薄膜材料主要有两种突出的光学特性：纳米薄膜材料主要有两种突出的光

10、学特性： 11 吸收光谱的移动（蓝移）与宽化吸收光谱的移动（蓝移）与宽化 由于量子尺寸效应以及界面效应由于量子尺寸效应以及界面效应, 当膜厚度当膜厚度减小时减小时, 大多数纳米薄膜能隙将有所增大大多数纳米薄膜能隙将有所增大, 会出现会出现吸收光谱的蓝移与宽化现象。例如：通过胶体化吸收光谱的蓝移与宽化现象。例如：通过胶体化学法制备的学法制备的TiO2/SnO2超颗粒及其复合超颗粒及其复合LB膜具有膜具有特殊的紫外特殊的紫外可见光吸收光谱。可见光吸收光谱。TiO2/SnO2超颗超颗粒具有量子尺寸效应使吸收光谱蓝移。粒具有量子尺寸效应使吸收光谱蓝移。 光学线性与非线性光学线性与非线性 光学非线性效应

11、是指在光学非线性效应是指在强光场强光场的作用下介质的作用下介质的的极化强度极化强度中出现中出现与外加光波电磁场的二次、三与外加光波电磁场的二次、三次次以至高次方成比例的项以至高次方成比例的项, 也就是说也就是说吸收系数和吸收系数和光强之间光强之间出现了出现了非线性关系非线性关系。（线性）。（线性）12 对于纳米材料，小尺寸效应、宏观量子尺寸效对于纳米材料，小尺寸效应、宏观量子尺寸效应、量子限域和激子是引起光学非线性的主要原因应、量子限域和激子是引起光学非线性的主要原因这种非线性关系可通过这种非线性关系可通过薄膜的厚度、薄膜的厚度、 膜中晶粒的尺膜中晶粒的尺寸大小寸大小来进行调整和控制。来进行调