低维纳米功能材料课件.ppt

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1、低维纳米功能材料0816120358张涛1959年，著名物理学家，诺贝尔奖获得者RichardFeynman首次提出了按人类意愿任意地操纵单个原子与分子的设想，预言了纳米科技的出现。自此，人们逐渐对这一类处于纳米尺度范围，具有明显异于一般宏观材料的物理/化学性能的物质发生了兴趣，从而开拓了对这一陌生领域的认知和探索。1.纳米材料纳米材料是由很多原子或分子构成(含原子或分子数在102一105之间)结晶粒度为纳米级(1-100nm)的一种具有全新结构的材料，即三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级，包括纳米微粒(零维材料)，直径为纳米量级的

2、纤维、管、线(一维材料)，厚度为纳米量级的薄膜与多层膜(二维材料)，以及基于上述低维材料所构成的致密或非致密固体。1.2纳米材料的特性纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物体交界的过渡域，是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质，它有着不同于传统固体材料的显著的表面与介面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，并且表现出奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性。1.3纳米材料的制备制备要求一般要达到表面洁净，粒子的形状及粒径、粒度分布可控(防止粒子团聚)，易于收集，有较好的热稳定性，产率高等几个方面。止粒子团聚)，

3、目前纳米材料的制备有多种方法，其中物理方法有蒸发冷凝法、物理粉碎法和机械合金法等；化学方法有化学气相沉积、化学沉淀法、水热合成法、溶胶一凝胶法、溶剂蒸发法、激光气相法、气相等离子体沉积法、表面化学修饰法而更多的方法则是对化学反应及物理变化的综合利用，以增加制备过程中的成核、控制或抑制生长过程，使产物成为所需要的纳米材料。下面对纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米薄膜等低维纳米材料的制备方法加以简单介绍。1.3.1纳米微粒的制备纳米微粒的制备技术在当前纳米材料科学研究中占有重要的地位，因为制备技术及其工艺过程的研究控制对纳米微粒的结构形貌及

4、物化特性具有重要的影响。纳米微粒的制备按物料形态大致可分为固相、液相、气相等几大类。下面介绍几种液相法。1·化学沉淀法化学沉淀法是在金属盐类的水溶液中，控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应，产生水合氧化物或难溶化合物，使溶质转化为沉淀，然后经分离、干燥或热分解而得到纳米颗粒。该法可分为直接沉淀法、均匀沉淀法、共沉淀法和醇盐水解法。2.溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成为氧化物或其他化合物的方法。该方法可实现分子水平的化学控制和介观水平的几何控制，从而得到性能剪裁目的。1.3.2

5、纳米管的制备1.激光蒸发气相催化沉积法该法首先被用于富勒烯的制备，随后被用来制备单壁碳纳米管。将激光蒸发气相催化沉积法制备碳纳米管装置中的靶材料换成六角氮化硼粉末与金属催化剂粉末，在高温下用激光束蒸发该靶，可成功地合成氮化硼纳米管。2.模板法模板法是纳米结构材料制备的通用技术之一。利用纳米多孔阳极氧化铝模板，可以在硅片上合成高密度均匀的顶端开口的碳纳米管阵列。以碳纳米管为模板，可以制得氧化锆、二硫化铌纳米管。1.3.3纳米线/棒的制备做为纳米材料的成员之一，纳米线因其优异的光学性能、电学性能及力学性能等特性而引起了凝聚态物理界、化学

6、界及材料科学界科学家们的关注，近年来成为纳米材料研究的热点。下面介绍几种典型的纳米线制备方法和相应的纳米线的生长机制。1、气相沉积法利用高温物理蒸发或有机金属化合物的气相反应，通过气体传输，可使反应物沉积到低温衬底上并生长为一维结构，生长过程一般遵循汽-液-固生长机理，是传统的生长一维材料的方法。2、激光法激光照射在目标靶上，产生高温高密度的混合蒸汽，混合蒸汽和载气碰撞致使温度下降凝聚成纳米团簇，液态催化剂纳米团簇限制了纳米线的直径，并通过不断吸附反应物使之在催化剂一纳米线界面上生长。只要催化剂纳米团簇还保持在液态，反应物可以得到补

7、充，纳米线就可以一直生长。1.3.4纳米薄膜材料的制备方法磁控溅射技术磁控溅射方法是七十年代初建立的一种技术，最初用来沉积金属和光学薄膜。但是随着技术的逐步完善，磁控溅射也被应用到半导体材料。磁控溅射凭借动能的传递进行的。基本原理是:在阴极(靶材)和阳极(衬底)之间加以电场。向真空室内通入惰性气体(通常是氢气)和反应气体。在电场作用下，真空室内的气体电离，产生离子。离子又在电场作用下加速向阴极靶材运动。在强电场作用下电离的离子以较高的动能轰击阴极靶材，将靶材上的物质以分子或分子团等形式溅射出来射向阳极衬底。磁控溅射方法的优点是:(a

8、)生长所需要的衬底温度低，可以在室温下生长;(b)衬底与薄膜之间具有良好的附着性;(c)采用磁控溅射制备得到的薄膜致密而且厚度均匀;(d)生长的可控性，能够保证制备过程的长时间稳定性;(e)易于制备各种合金及化合物薄膜;(g)这种方法