纳米材料物理基础

讲课内容——纳米半导体光催化技术

主要内容

一、简介

?纳米

纳米——10-9米，由于颗粒尺寸的微细化，使得纳

米材料具有块状材料所不具备的独特性质，如比表面

积大大增大，吸附能力大大增强。

?半导体

半导体——常温下导电性能介于导体与绝缘体之间

的材料，具有热敏、光敏等特性。

半导体的能带结构

半导体存在一系列的满带，最下面的满带成为价带（valence band，VB）；存在一系列的空带，最上面的空带称为导带（conduction band，CB）；价带和导带之间为禁带。

当用能量等于或大于禁带宽度（Eg）的光照射时，半导体价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成电子（e-）－空穴（h+）对。

为了形象地说明电子空穴对，利用生活中常见的石榴来比喻：石榴籽：光致电子

石榴籽留下的空洞：光致空穴

光致电子：存在于导带中。光致空穴：存在

于价带中。

二者有复合的趋势，即在持续的光照射下，光子不断的轰击价带，导致光致电子和光致空穴不断产生，该分离过程以纳秒计算，然后，光致电子重新回到光致空穴中，二者复合。

?光催化

光催化于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单晶进行了紫外灯照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“本多·藤岛效果”（Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京大学校长本多健一的名字。

1976 年，John.H.Carey报道了TiO2光催化氧化法用于污水中PCB 化合物脱氯去毒的成功结果后，自从那时起，针对光催化技术，学术界围绕太阳能利用、光催化降解有机物等展开了多方面的研究。

1985年，Mutsunaga等发现在金属卤灯发出的近紫外光照射下，TiO2 - Pt电极具用杀菌效果，这一发现开创了用光催化方法杀菌消毒的先河。因其具备良好的耐候性、耐化学腐蚀性、抗紫外线能力强、透明性优异等特点，被广泛应用于汽车、感光材料、光催化剂、化妆品、食品包装材料、陶瓷添加剂、气体传感器及电子材料等。

我国的光催化研究

起步于上世纪90年代，现在正在蓬勃发展；

国家环境光催化工程技术研究中心，位于福州大学内，付贤智院士领衔，是我国目前光催化领域中规模最大、科研实验条件最好、在国内外光催化领域具有重要影响的研究机构。

中科院化学所光化学重点实验室，赵进才院士领衔，致力于可见光下有毒有机污染物催化降解，取得重要成果，在国内外具有广泛影响。

南京大学长江学者特聘教授邹志刚教授，973计划“光催化材料及其应用的基础研究”的

首席科学家，首次实现了可见光催化光解水制氢(Nature 414，625，2001)。

二、光催化剂及其原理

常见的光催化材料

photocatalyst Eg（eV）photocatalyst Eg（eV）Si 1.1ZnO 3.2 TiO2（Rutile) 3.0TiO2(Anatase) 3.2 WO3 2.7CdS 2.4 ZnS 3.7SnO2 3.8 SiC 3.0CdSe 1.7 Fe2O3 2.2α-Fe2O3 3.1下面以TiO2为例，讲述一下其作为光催化剂的一些优点：

TiO2的结构与性质

TiO2晶型结构示意图

金红石型 锐钛矿型

何谓光催化？

光催化剂（一般为半导体材料）在光(可见光或者紫外光)的照射下，通过把光能转化为化学能，从而具有氧化还原能力，使化合物（有机物、无机物）被降解的过程称为光催化净化。

生活中见到的光催化过程就是光合作用。

从光合作用这种最简单的光催化反应，总结下一个光催化反应发生的三个基本条件： ? 叶绿素---光催化剂

? 光-------特定波长范围(400-600nm 之间最佳)，非所有光都可以

? 反应物------二氧化碳和水

T i O T i O 6

光催化反应的三个基本条件：

光催化剂------一般为半导体材料

光------------特定波长范围，非所有光都可以

反应物--------空气中的有机物或溶液中的有机污染物或水

光催化的一般原理图

可同时实现有机物的氧化和无机金属离子的还原，对于复杂的实际废水处理有重要指导意义

TiO2光催化的主要限制因素

单纯的TiO2只能吸收波长小于387nm 的紫外光，而这部分光在太阳光谱中只占不到5%。 所以，对TiO2改性，使其可见光化，能吸收太阳光中的可见光，提高光能的利用率，成为近年来研究的热点。

hv >Eg

Eg =3.2eV -

e +h λ<380nm

2

TiO 22CO ,H O,etc

导带 价带

-e 或2VOCs H O 2O ?

-2O ?+VOCs

?HO

听课内容——第九章纳米材料的电学性质

S1******* 何超妮

所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。1、力学性质高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。2、热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。3、电学性质由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。4、磁学性质当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁

系统、光磁材料中有着广泛的应用。

纳米材料的电学性能及应用介电特性是材料的重要性能之一,当材料处于交变电场下,材料内部会发生极化,这种极化过程对交变电场有一个滞后响应时间,即弛豫时间。弛豫时间长,则会产生较大的介电损耗。纳米材料的微粒尺寸对介电常数和介电损耗有很大影响,介电常数与交变电场的频率也有密切关系。例如纳米TiO2在频率不太高的电场作用下,介电常数是随粒径增大而增大,达到最大值后下降,出现介电常数最大值时的粒径为1718nm。一般讲,纳米材料比块体材料的介电常数要大,介电常数大的材料可以应用于制造大容量电容器,或者说在相同电容量下可减小体积,这对电子设备的小型化来讲很有用。单电子晶体管是诱人的纳米微粒电学性能的体现。在这里,首先简单介绍一下量子隧道效应和库仑堵塞。在电学里,导电是电子在导体内运动的表现,如果两个纳米微粒不相连,那么电子从一个微粒运动到另一个微粒就会象穿越隧道一样,若电子的隧道穿越是一个一个发生的,则在电压电流关系图上表出台阶曲线,这就是量子隧道效应。如果两个纳米微粒的尺寸小到一定程度,它们之间的电容也会小到一定程度,以至于电子不能集体传输,只能一个一个单电子传输,这种不能集体传输电子的行为称之为库仑堵塞。当纳米微粒的尺寸为1nm时,可以在室温下观察到量子隧道效应和库仑堵塞,当纳米微粒的尺寸在十几纳米范围时,观察这些现象必需在极低温度下,例如-196℃以下。利用量子隧道效应和库仑堵塞,就可研究纳米电子器件,其中单电子晶体管是重要的研究课题。图1是单电子晶体管的结构示意图,其中画斜线的部分是连接库仑岛与金属引线的隧道结,库仑岛是半导体纳米微粒或金属纳米微粒,在两端的金属引线上加入电压,输送电子和接收电子的两个电极分别作为“源”和“漏”,电子从“源”到“漏”是单电子隧穿过程和库仑堵塞过程,库仑岛的一侧有另一个电极,称之为“栅”或“门”,“栅”或“门”电极起控制作用

图1 单电子晶体管结构示意图

由于单电子晶体管耗电极小,体积也极小,可以使大规模集成电路的集成度呈几个数

量级地提高,这将会引起新世纪里电子设备的重大变革。单电子晶体管“库仑岛”上存在或失去一个电子的状态变化可以作为高密度信息存储的记忆单元,为高密度信息存储开辟了一条新的道路。

2001年2月,德国科研机构报道了利用单个电子作为纳米电路开关的研究取得初步进展。现行的普通硅芯片半导体电路中,微晶体二极管通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”,实现这样一个过程大约需几万个电子。而德国科学家在研究中发现,由55个Au原子在平面分布形成的“纳米簇”可达到同样的功能,而且实现电路的接通和断开只需要一个电子。这一项目的研究者之一、埃森大学施密特教授认为,单电子纳米开关电路有可能成为未来更小更精确和耗能更低的芯片的基础,目前全世界计算机超过1亿台,如果以每台消耗功率100W估算,那么仅为计算机供电就需要10GW电量,如果单电子纳米开关电路成为芯片的生产标准,仅在电能消耗上就可以至少降到目前的万分之一,更不用说单电子开关在速度和准确性上的优势。存在于超晶格材料中的量子阱给超晶格半导体薄膜带来特殊的电学性能,某一能量的电子在周期性结构中运动会具有最大的隧穿几率,利用此特性可制成双极型晶体管、高电子迁移率晶体管等。另一方面,在一定条件下电子的迁移可以使电子的能量发生转换,若电子能量转换为光子发射,由此可设计出量子阱激光器。纳米电子器件的研究成为国际上纳米电子学研究的热点,关于单电子晶体管研究的报道接连不断，它的基本结构是纳米隧道结,利用“栅”电极控制“源”和“漏”两个电极之间的位垒高度,也就控制了这两个电极之间的隧穿电流。德国科学家和美国IBM公司的科学家在2001年初报道用碳纳米管制备纳米晶体管,其结构如图2所示,他们先在硅基底上氧化出一层绝缘的SiO2,在SiO2上制备金电极,然后把碳纳米管分散在SiO2上,再用原子力显微镜(AFM)的针尖搬动碳纳米管,使碳纳米管处于两个金电极之间,在两个金电极上加电压,同时硅基底上加控制电压作为栅电极,这个栅电极经隧道场效应作用于碳纳米管,他们在低温4.2K下测量了由栅电极控制的源和漏之间的I2U关系曲线,表现出很好的晶体三极管放大特性。

荷兰台尔福特大学应用物理系的Dekker实验室在近几年发表了很多篇高水平的论文,先是低温下测量了碳纳米管的三极管放大效应。现在已研究成功了室温下的单电子晶体管。他们把长几百纳米的金属型单壁碳纳米管放在Si/SiO2基底上,用AFM针尖驱动碳纳米管产生一个弯曲,

见图3(a),然后再在距这个弯曲点约25nm的地方向相反的方向构造另一个弯曲(见图3(b));这两个相反方向的弯曲组成一个碳纳米管的弯曲结(见图3(c)),放大的弯曲结如图3(d)所示。通过测试栅电极对碳纳米管导电性的影响,发现在室温下,无弯曲结时,栅电极不起控制作用,而有弯曲结时,栅电极对碳纳米管的导电性起到控制作用,这就是新型的室温单电子晶体管。

历史的车轮把人类从混饨初开的时代带入到一个新的千年,蒸汽机的发明给人类带来了巨大的动力,把农业经济推向了工业经济,电的发明又一次给人类带来了重大的社会变革,到了上个世纪末,人类进入了信息时代。纳米科学与技术带来了新的发展领域,前途无限广阔。纳米材料正日新月异地被研究出来,它们的神奇性能正在被开发,我国在纳米材料的若干方面的研究已取得了很出色的成果。

纳米材料学

1. 团簇:一般指由几~几百个原子的聚集体系,尺寸≤1nm.其结构多样化,呈线状,网状,层状,洋葱状,骨架状…… 2. 人造原子:是指包含一定数量的真正原子的量子点,准一维的量子棒,准二维的量子盘以及~100nm 的量子器件 3. 同轴纳米电缆: 4. 介孔固体: 5. 介孔复合体: 6. 纳米结构: 7. 自组织合成和分子自组织合成: 8. 阵列体系的模板合成: 9. 纳米碳管及其分类:是由碳原子组成的Φ:几~几十nm,长约几十nm~μm 的管子,侧边为六边型,顶端为五边型封顶.有单壁碳管和多壁碳管,多壁管还分为单臂,锯齿形和手性. 10. 光吸收带蓝移和红移:与大块材料相比,纳米微粒的吸收带移向短波方向,是由于尺寸下降,能隙变宽;还有由于纳米微粒颗粒小,大的表面张力使晶格畸变,晶格常数变小.红移可能是由于粒子表面形成的偶极层的库仑作用引起的红移大于粒子尺寸的量子限域效应引起的蓝移,还可能是表面形成束缚激子导致发光. 11. 超顺磁性:铁磁纳米微粒尺寸小到一定临界值,就不再服从居里-外斯定律,呈顺磁性. 12. 磁性液体(结成和特点) 13. 沉淀法和共沉淀法:包含一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉淀剂后,或于一定温度下使溶液水解,形成不溶性氢氧化物或盐类从溶液中析出,并将溶液中原有的阴离子洗去,经热分解即得到所需的氧化物粉料. 含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后,所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法,分为单相共沉淀和混合物共沉淀. 14. 均相沉淀法:通过控制溶液中的沉淀剂浓度,使之缓慢地增加,则使溶液中的沉淀处于平衡状态,且沉淀能在整个溶液中均匀出现,这种方法称为均相沉淀. 15. 金属醇盐水解法:利用一些金属有机醇盐能溶于有机溶剂并可能发生水解,生成氢氧化物或氧化物沉淀的特性,制备细粉料的一种方法. 16. 纳米微粒的尺寸,结构和形貌特征:1~100nm;一般呈球型,还有其他与制备方法密切相关的其他形状;结构一般与大颗粒相同,但颗粒内部,特别是表面层晶格畸变,有时会出现与大颗粒差别很大的情况. 17. 什么是久保理论?它的基本点是什么?该理论的优缺点是什么?是关于金属粒子电子性质的理论,将超微粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子气,并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级,且忽略相互作用,得到的电子能级分布优于等能级间隔模型;还认为从超微粒子中取走或放入一个电子都是困难的,超微粒子是电中性的.久保理论解释了超微粒子在EPR,磁化率,比热等方面的量子尺寸效应,但对外界条件以及自旋-轨道相互作用对电子能级分布的影响没有考虑. 18. 量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到某一值时,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和纳米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的分子轨道能级,能隙变宽现象均称为量子尺寸效应. 小尺寸效应:当超细微粒的尺寸与光波波长,德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致的声,光,电磁,热力学的新特性. 表面效应:纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例,使得表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合. 宏观量子隧道效应: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亦具有贯穿势垒的能力,称为宏观量子隧道效应. 库仑堵塞与量子隧穿: 介电限域效应:当粒子的尺度下降到可与激子的玻尔半径相比拟时,屏蔽效应被减小,而颗粒间的库仑作用得到增强,导致ε增加,激子束缚能增加等效应. 19. 纳米微粒的基本热学特征:纳米微粒的熔点,开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低很多.由于颗粒小,纳米微粒的表面能高,比表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全,活性大以及体积远小于大块材料,因此纳米粒子熔化所需增加的内能小得多,熔点急剧下降.纳米微粒尺寸小,表面能高,压制成块材后的界面具有高能量,在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力,有利与界面中的孔洞收缩,因此在较低温度下烧结就能达到致密化的目的. 20. 纳米微粒超顺磁性,高矫顽力,低T C 产生的原因:超顺磁性的起源:由于小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向,易磁化方向作无规律变化,结果导致超顺磁性的出现.纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时呈现的高矫顽力,有一致转动模式和球链反转磁化模式.一致转动磁化:每个粒子就是一个单磁畴,要使这个磁铁去掉磁性,需要每个粒子整体的磁矩反转,这需要很大的反向磁场.由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化,因此具有较低的居里温度. 21. 纳米材料往往呈现出常规粗晶不具有的发光现象,原因是什么?常规粗晶的结构存在平移对称性,由平移对称性产生的选择定则禁介使得它不能发光.当小到一定程度时,平移对称性消失.载流子的量子限域效应. 22. 如何分散纳米粒子?(1)加入反絮凝剂形成双电层.即选择恰当的电解质做分散剂,使纳米粒子表面吸引异电离子形成双电层,通过双电层之间库排斥作用使粒子之间发生团聚的引力大大降低,实现纳米微粒分散的目的.(2)加表(界)面活性剂包裹颗粒.使其吸附在粒子表面,形成微胞状态,由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力,使得粒子间不能接触,从而防止团聚体的产生. 23. 低压气体中蒸发法的基本原理是什么?影响纳米粒子尺寸的因素是什么?是在低压的氩,氦等惰性气体中加热金属,使其蒸发后形成超微粒(1~1000nm)或纳米微粒.加热源又以下几种:电阻加热法;等粒子喷射法;高频感应法;电子束法;极光法. 可通过调节惰性气体压力,蒸发物质的分压即蒸发温度或速率,或惰性气体的温度来控制纳米微粒的尺寸. 24. 溅射法制备纳米微粒的基本原理:用两块金属板分别作为阳极和阴极,阴极为蒸发用的材料,在两电极间充入Ar 气(40~250Pa),两电极间施加的电压范围为0.3~1.5kV .由于两电极间的辉光放电使Ar 离子形成,在电场的作用下Ar 离子冲击阴极靶材表面,使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子,并在附着面上沉积下来.粒子的大小及尺寸分布主要取决于两电极间的电压,电流和气体压力. 25. 水热法制备纳米微粒方法的基本点:水热反应是高温高压下在水(水溶液)或蒸汽等流体中进行有关化学反应的总称.水热氧化;水热沉淀;水热合成;水热还原;水热分解;水热结晶. 26. 溶胶-凝胶法制备纳米粒子的基本原理与过程:基本原理是将金属醇盐或无机盐经水解,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥,焙烧,最后得到无机材料.过程包括:(1)溶胶的制备:一使先将部分或全部组分用适当沉淀剂先沉淀出来,经解凝,使原来团聚的沉淀颗粒分散称原始颗粒;另一种方法使由同样的盐溶液出发,通过对沉淀过程的仔细控制,使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒而沉淀,从而直接得到胶体凝胶.(2)溶胶-凝胶转化:溶胶中含有的大量的水,凝胶化过程中,体系失去流动性,形成一种开放的骨架结构.途径有二:一是化学法,通过控制溶胶中的电解质浓度来实现凝胶化;二是物理法,迫使胶颗粒间相互靠近,克服斥力,实现凝胶化.(3)凝胶干燥:一定条件下(如加热)使溶剂蒸发,得到粉料,干燥过程中凝胶结构变化很大. 27. 常用的评估纳米粒子直径的方法有哪些?测量原理及运用的范围.(1)透射电镜观察法:用此方法测得的颗粒粒径,不一定是一次颗粒,往往是由更小的晶体或非晶,准晶微粒构成的纳米级微粒.这是因为在制备电镜观察用的样品时,很难使它们全部分散成一次颗粒.(2)X 射线衍射线宽法:是测定微粒晶粒度的最好方法.晶粒度<100nm.(3)比表面积法:通过测定粉体单位重量的比表面积S w ,假设颗粒呈球形,则颗粒直径w S d ρ/6=.容量法:测定已知量的气体在吸附前后的体积差,进而得到气体的吸附量;重量法:直接测定固体吸附前后的重量差,计算吸附气体的量.(4)X 射线小角散射法:假定粉体粒子为均匀形状,大小,利用X 射线衍射中倒易点阵原点(000)结点附近的相干散射现象,计算求出粒度分布和平均尺寸.颗粒约几~几十nm.(5)Raman 散射法:通过测量Raman 谱中某一晶峰在纳米晶体和常规晶体中的偏移来得到纳米晶粒的平均粒径. 28. 纳米固体基本构成及分类:基本构成十纳米微粒以及它们之间的分界面(界面).按小颗粒结构状态可分为纳米晶体,纳米微晶,纳米准晶材料;按小颗粒键的形式可分为纳米金属,纳米离子晶体,纳米半导体,纳米陶瓷材料;由单相微粒构成的固体称为纳米相材料,每个纳米微粒本身由两相构成(一种相弥散于另一种相中)的成为纳米复相材料.纳米复合材料大致包括三种类型:一是0-0复合,即不同成分,不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体;二是0-3复合,即把纳米粒子分散到常规的三维固体中;三是0-2复合,即把纳米粒子分散到二维薄膜材料中,又分均匀弥散和非均匀弥散. 29. 为什么纳米固体具有高比热,高热膨胀系数?体系的比热主要由熵贡献,在温度不太低的情况下,电子熵可以忽略,体系熵主要由振动熵和组态熵贡献.纳米结构材料的界面结构原子分布比较混乱,界面体积百分比大,因而纳米材料熵丢比热的贡献比常规粗晶材料大的多.固体的热膨胀与晶格非线形振动有关.纳米晶体在温度发生变化时,非线形热振动可分为两个部分,一时晶内的非线形热振动,二时晶界组分的非线形热振动,往往后者的非线形振动更为显著,可以说占体积百分数很大的界面对纳米晶热膨胀的贡献起主导作用. 30. 为什么纳米相材料在较宽的温度范围内具有好的热稳定性,而金属易长大?简述提高纳米相材料热稳定性的方法.因为金属纳米晶体晶粒生长激活能小,在热激活下,相对与纳米相材料晶粒易于长大,故热稳定温区较窄.提高热稳定性(1)降低界面迁移的驱动力.如果没有驱动力,则正向和反相运动的几率是相同的;在驱动力下使势垒产生不对称的偏移,就显示晶界的迁移.界面能量高及界面两侧相邻两晶粒的差别大有利于晶界迁移.纳米材料晶粒为等轴晶,粒径均匀,分布窄,保持纳米材料各向同性就会大大降低界面迁移的驱动力.(2)晶界结构弛豫.高能的晶界并不一定首先引起晶界迁移.晶界结构弛豫所需要的能量小于

纳米材料论文

应用技术大学2017—2018学年第二学期 《纳米材料与未来生活》期（末）试卷 课程代码: 学分: 2 课程序号: 班级：学号：: 我已阅读了有关的考试规定和纪律要求，愿意在考试中遵守《考场规则》，如有违反将愿接受相应的处理。 试卷共页，请先查看试卷有无缺页，然后答题。 本课程以小论文形式进行期末考核，要求如下： 一、请同学们在下列题目中按照指定题目，写成期末论文。 1、纳米材料先进制备技术 2、纳米材料与未来生物医药 3、纳米材料与未来汽车 4、纳米材料与先进催化 5、纳米材料与未来锂电 6、纳米多孔材料与超级电容器 7、纳米催化剂与燃料电池 8、纳米材料与光催化技术 二、论文写作要求： 论文题目应为授课教师指定题目，论文要层次清晰、论点清楚、论据准确；论文写作要理论联系实际，同学们应结合课堂讲授容，广泛收集与论文有关资料，含有一定案例，参考一定文献资料。 三、论文写作格式要求： 论文题目要求为宋体三号字，加粗居中； 正文部分要求为宋体小四号字，标题加粗，行间距为1.5倍行距； 论文字数要控制在2000－2500字； 论文标题书写顺序依次为一、（一）、1.。

四、论文提交注意事项： 1、论文一律以此文件为封面，写明班级、、学号等信息。 2、论文一律采用书面提交方式，在规定时间提交，逾期将不接受补交。 3、如有抄袭雷同现象，将按学校规定严肃处理。

目录 纳米材料的概念 (1) 未来汽车的概念 (1) 未来汽车的外饰 (2) 未来汽车外饰与纳米材料 (2) 未来汽车的饰 (2) 未来汽车饰与纳米材料 (3) 总结 (4)

纳米材料与未来汽车 一、纳米材料的概念 （一）、纳米材料 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。 （二）、纳米材料的补充 人们普遍认为纳米科技源自费曼于1959年的一次演讲，而“小就是与众不同”在现在几乎成了纳米科技界的一句口头禅。纳米科技近年来的发展可以说是非常迅猛，从国际上犹如雨后春笋一般冒出来的数十种纳米科技类杂志就可见一斑，其中英国物理学会率先出版Nanotechnology,美国化学学会继成功出版Nano Letters之后又推出了ACS Nano可以发现纳米科技有着魔力让人们着迷。 我国把纳米翻译为奈米。我国先后成立了国家纳米科技指导协调委员会和纳米技术专门委员会，建立了国家纳米科学中心、国家纳米技术与工程研究院（天津）、纳米技术及应用国家工程研究中心、国家纳米技术国际创新园。 纳米塑料———强度更高汽车制造中应用的塑料数量将越来越多。纳米塑料可以改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能：强度高，耐热性强，比重更小。由于纳米粒子尺寸小于可见光的波长，纳米塑料可以显示出良好的透明度和较高的光泽度，这样的纳米塑料在汽车上将有广泛的用途。经过纳米技术处理的部分材料耐磨性更是黄铜的27倍。除此之外，纳米塑料除了可回收外，还有长期耐紫外线、色泽稳定、质量较轻等优点，在汽车配件中的应用领域相当广泛。在汽车外装件中，主要用于保险杆、散热器、底盘、车身外板、车轮护罩、活动车顶及其它保护胶条、挡风胶条等。在饰件中，主要用于仪表板和饰板、安全气囊材料等。 二、未来汽车的概念 （一）、未来汽车 未来汽车有别于我们家庭所使用的目前所了解的汽车，未来汽车的发展方向

纳米材料的制备方法及其研究进展

纳米材料的制备方法及其研究进展纳米材料的制备及其研究进展 摘要:综述了纳米材料的结构、性能及发展历史;介绍了纳米材料的制备方法及最新进展;概述了纳米材料在各方面的应用状况和前景;讨论了目前纳米材料制备中存在的问题。 关键词:纳米材料;结构与性能;制备技术;应用前景;研究进展 1 引言 纳米微粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，微粒具有壳层结构。由于微粒的表面层占很大比重，所以纳米材料实际是晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量的界面，晶界原子达15%-50%。 这些特殊的结构使得纳米材料具有独特的体积效应、表面效应，量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而使其具有奇异的力学、电学、磁学、热学、光学、化学活性、催化和超导性能等特性，使纳米材料在国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值，美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划;日本在10年纳米微粒的制备方法 1 纳米微粒的制备方法一般可分为物理方法和化学方法。制备的关键是如何控制颗粒的大小和获得较窄且均匀的粒度分布。 1.1 物理方法 1.1.1 蒸发冷凝法

又称为物理气相沉积法，是用真空蒸发、激光、电弧高频感应、电子束照射等方法使原料气化或形成等离子体，然后在介质中骤冷使之凝结。特点:纯度高、结晶组织好、粒度可控;但技术设备要求高。根据加热源的不同有: (1)真空蒸发-冷凝法其原理是在高纯度惰性气氛(Ar,He)下，对蒸发物质进行真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。1984年Leiter[2]等首次用惰性气体沉积和原位成型方法，研制成功了Pd、Cu、Fe 等纳米级金属材料。1987 年Siegles[3]采用该法又成功地制备了纳米级TiO2 陶瓷材料。这种方法是目前制备纳米微粒的主要方法。特点:粒径可控，纯度较高，可制得粒径为5~10nm的微粒。但仅适用于制备低熔点、成分单一的物质，在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在局限性。 (2)激光加热蒸发法是以激光为快速加热源，使气相反应物分子是利用高压气体雾化器将-20~-40OC的氦气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液流是以高频线圈为热源，使坩埚是用等离子体将金属等的粉末熔融、蒸发和冷凝以获得纳米微粒。特点:微粒纯度较高，粒度均匀，是制备氧化物、氮化物、碳化物系列、金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效的方法，同时为高沸点金属纳米微粒的制备开辟了前景。但离子枪寿命短、功率小、热效率低。目前新开发出的电弧气化法和混合等离子体法有望克服以上缺点。 (6)电子束照射法1995年许并社等人[4]利用高能电子束照射母材，成功地获 得了表面非常洁净的纳米微粒，母材一般选用该金属的氧化物，如用电子束照射 Al2O3 后，表层的Al-O 键被高能电子“切断”，蒸发的Al原子通过瞬间冷凝，形核、长大，形成Al的纳米微粒，但目前该方法获得的纳米微粒限于金属纳 米微粒。 1.1.2 物理粉碎法

纳米材料学总结

《纳米材料》 一、名称解释 纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。久保理论：关于金属粒子电子性质的理论，是针对金属超微颗粒面附近电子能级状态分布而提出的。 量子尺寸效应： 自组装：基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。 团簇：由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。 二、简答 列举几个材料或化学类的期刊；列举说明几种表征手段；列举几个研究纳米材料的研究小组 三、纳米材料不同于其它材料的物理化学性质； 四、列举几种材料的制备方法 五、抑制团聚的措施 六、光催化原理 光催化剂纳米粒子在一定波长的光线照射下受激发生成电子-空穴对（当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子()和空穴()），空穴分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基，电子使其周围的氧还原成活性离子氧，从而具备极强的氧化-还原作用，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物二氧化碳和水，甚至对一些无机物也能彻底分解。 第二章纳米微粒的基础 1. 量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时，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和纳米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的分子轨道能级，能隙变宽现象。 2. 小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长，德布罗意波长以及超导态的相干长度或者透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小。 3. 表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能大，表面原子配位不足，活性强。 4. 宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力。 第三章纳米微粒结构与物理性质

纳米材料学教案

《纳米材料》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号：2 中文名称：纳米材料 英文名称：Nano-materials 适用专业：化学工程与工艺 课程类别：专业选修课 开课时间：第5学期 总学时：32 总学分：2 二、课程简介（字数控制在250以内） 《纳米材料》是化学工程与工艺专业的一门专业选修课，本课程系统地讲授各类纳米材料的概念、制备方法、结构和性能特征以及表征技术和方法，在此基础上，对其发展前景进行了展望。通过本课程的学习，引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解，帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景，从而启迪大学生的创新思维，拓宽其科学视野，培养他们对纳米科技的学习兴趣。 三、相关课程的衔接 与相关课程的前后续关系。 预修课程（编号）：高等数学B1（210102000913）、高等数学B2（210102000713）、物理化学A1（2）、物理化学A2（2），无机化学（A1）（2）、无机化学（A2）（2）。 并修课程（编号）：无特别要求 四、教学的目的、要求与方法 （一）教学目的 通过本课程的学习，引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解，帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景，从而启迪大学生的创新思维，拓宽其科学视野，培养他们对纳米科技的学习兴趣。 （二）教学要求 掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状，对未来发展前景有一定的认识。

（三）教学方法 本课程遵循科学性、系统性、循序渐进、少而精和理论联系实际的教学原则，结合最新的研究成果着重讲述有关纳米材料的基本理论、理论知识的应用。本课程以课堂讲授教学为主，教学环节还包括学生课前预习、课后复习，习题，答疑、期末考试等。 五、教学内容（实验内容）及学时分配 （1学时） 第一章绪论（2学时） 1、教学内容 1.1纳米科技的基本内涵 1.2纳米科技的研究意义 1.3纳米材料的研究历史 1.4纳米材料的研究范畴 1.5纳米化的机遇与挑战 2、本章的重点和难点 本章重点是纳米科技与纳米材料的基本概念。 第二章纳米材料的基本效应（2学时） 1、教学内容 2.1 小尺寸效应 2.2 表面效应 2.3 量子尺寸效应 2.4宏观量子隧道效应 2.5 库仑堵塞与量子隧穿效应 2.6 介电限域效应 2.7 量子限域效应 2.8 应用实例 2、本章的重点和难点 重点：纳米材料的表面效应、小尺寸效应及量子尺寸效应。难点：宏观量子隧道效应。 第三章零维纳米结构单元（4学时） 1、教学内容 3.1 原子团簇

制备纳米材料的物理方法和化学方法

制备纳米材料的物理方法和化学方法 （********） 纳米科学技术是20世纪80年代末产生的一项正在迅猛发展的新技术。所谓纳米技术是指用若干分子或原子构成的单元—纳米微粒，制造材料或微型器件的科学技术。 纳米材料的制备方法甚多，目前制备纳米材料中最基本的原则有二：一是将大块固体分裂成纳米微粒；二是由单个基本微粒聚集形成微粒，并控制微粒的生长，使其维持在纳米尺寸。 1物理制备方法 早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法、超声波粉碎法、冲击波粉碎法、蒸气快速冷却法、蒸气快速油面法等等。近年来发展了一些新的物理方法，这些方法我们统称为物理凝聚法，物理凝聚法主要分为 （1）真空蒸发靛聚法 将原料用电弧高频或等离子体等加热，使之气化或形成等离子体，然后骤冷，使之凝结成纳米微粒。其粒径可通过改变通入惰性气体的种类、压力、蒸发速率等加以控制，粒径可达1—100nm 。具体过程是将待蒸发的材料放人容器中的柑锅中，先抽到410Pa 或更高的真空度，然后注人少量的惰性气体或性2N 、3NH 等载气，使之形成一定的真空条件，此时加热，使原料蒸发成蒸气而凝聚在温度较低的钟罩壁上，形成纳米微粒。 （2）等离子体蒸发凝聚法 把一种或多种固体颗粒注人惰性气体的等离子体中，使之通过等离子体之间时完全蒸发，通过骤冷装置使蒸气奴聚制得纳米微粒。通常用于制备含有高熔点金属合金的纳米微粒，如Fe-A1 , Nb- Si 等。此法常以等离子体作为连续反应器制备纳米微粒。 综上所述，物理方法通常采用光、电等技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，然后使原子或分子形成纳米颗粒，它还包括球磨、喷雾等以力学过程为主的制备

纳米材料物理-磁光性能

纳米材料的磁光性能 磁光效应 磁光效应就是指极化光与磁性物质交互作用后所产生的一种效应。它分为Faraday效应和Kerr效应。1846年，Faraday发现在玻璃样品上加上磁场时，透射光的极化面发生旋转，这就是Faraday效应。如图1(a)所示，红色表示加在物质上的磁场或磁化作用，黄线表示极化光，极化光通过被磁化的物质后产生Faraday效应。注意，所加磁场的方向与光束行进的方向平行。1877年Kerr在观察极化光束从磁性物质反射后，光束的极化以及强度有了改变，这就是磁光科尔效应(magneto-ptical Kerr effect, MOKE)。如图1(b)所示。 图 1 随着铁磁物质磁化强度矢量M的方向相对于材料的表面和人射光束的人射平面的取向，MOKE实际上分为3种效应:纵向MOKE、极性MOKE(Polar MOKE)和横向MOKE。可以用图形清晰地分别表示如下。 纵向MOKE是由于磁化强度矢量处于材料的表面内并平行于入射平面，如图2(a)所示。通常用s极化和P极化分别表示垂直和平行于入射平面光的极化。纵向MOKE简单，其人射光束或者只在s平面或者只在P平面极化，因此其反射光就转变为椭圆极化光。椭圆的主轴常常围绕着主平面有些微的旋转，称之为Kerr旋转。这种椭圆率称为Kerr椭圆率。 透射中也存在着同样的效应，当然通常这只能在薄膜中才看得到，因为绝大多数磁物质在磁光活跃的区域是不透明的。 这些效应的符号和数量比例于M和它的方向。在垂直人射方向没有观察到

什么效应。 图(b)所示的为横向MOKE 梗概图，此时磁化强度垂直于外加磁场和人射平面。与纵向MOKE 不同，第一，它只是在P 平面内极化；第二，反射光仍然保持线性极化，只有反射振幅的变化，即M 的变化只是从+M 变为-M ，反射率从R+?R 变为R-?R 。在垂直人射上没有什么效应。 图(c)所示的是极化MOKE 梗概图，此时磁化矢量垂直于样品表面。像纵向MOKE 一样，它只是在p 平面或s 平面内发生。这种效应中的人射光处于这些线性极化态的一种，反射时转化为椭圆极化光。在垂直人射方向可观察到效应。 金属纳米粒子和纳米粒子薄膜的磁光效应 Menendez 等制备了嵌人于非晶态Al 2O 3层中的Fe 纳米粒子A ，B 和C 三种样品，它们的粒径分别为2.4nm ，4nm 和8nm ，含量分别为10%，30%和40% ， Al 2O 3层的厚度分别17nm ，18nm 和18.5nm ，测定了它们的MOKE 。图3是这三个样品的Kerr 椭圆率和旋转角与能量关系的测定结果。最明显的特点是在所有的样品中，不论是椭圆率还是旋转角谱，由于干涉的作用，都在4--4.5 e V 附近出现峰值。作者应用不同的有效媒介近似的广义方法描述了实验结果，从理论与实验符合程度发现，在纳米平均粒径大于4 nm 时，两则符合得较好，而在粒径为约2nm 时，两者的偏差大。这就说明，在粒径小于4nm 时，纳米粒子的磁光性能，因为其电子结构与体材的不同。 图 2

纳米材料的制备及合成

纳米材料的合成与制备 (1) 摘要 (1) 关键词 (1) The synthesis and preparation of nanomaterials (1) Abstract (1) Keywords (1) 引言 (1) 1纳米材料的化学制备 (2) 1.1纳米粉体的湿化学法制备 (2) 1.2纳米粉体的化学气相法制备 (2) 1.2.1气体冷凝法 (3) 1.2.2溅射法 (3) 1.2.3真空蒸镀法 (4) 1.2.4等离子体方法 (4) 1.2.5激光诱导化学气相沉积法(LICVD) (4) 1.2.6爆炸丝方法 (5) 1.2.7燃烧合成法 (5) 1.3纳米薄膜的化学法制备 (5) 1.4纳米单相及复相材料的制备 (6) 2纳米材料的物理法制备 (7) 2.1纳米粉体(固体)的惰性气体冷凝法制备 (7) 2.2纳米粉体的高能机械球磨法制备 (7)

2.3纳米晶体非晶晶化方法制备 (8) 2.4深度塑性变形法制备纳米晶体 (9) 2.5纳米薄膜的低能团簇束沉积方法(LEBCD)制备 (9) 2.6纳米薄膜物理气相沉积技术 (9) 3纳米材料的应用展望 (10) 4 总结 (11) 参考文献 (12)

纳米材料的合成与制备 摘要本文综述了近年来在纳米材料合成与制备领域的一些最新研究进展，包括纳米粉体、块体及薄膜材料的物理与化学方法制备。从纳米材料合成和制备的角度出发,较系统的阐述了纳米材料合成与制备的最新研究进展,包括气相法,液相法及固相法合成与制备纳米材料;并介绍了纳米材料在高科技领域中的应用展望。 关键词纳米材料，合成，制备 The synthesis and preparation of nanomaterials Abstract This paper summarized the recent years in the field of nanometer material synthesis and preparation of some of the latest research progress, including nano powder, bulk and thin film materials preparation physical and chemical methods. From the perspective of nano material synthesis and preparation, systematically expounds the synthesis and the latest progress in the preparation of nanometer materials, including gas phase, liquid phase method and solid phase synthesis and preparation of nano materials; And introduces the application of nanomaterials in the field of high-tech prospects. Keywords nano materials, synthesis, preparation 引言 纳米材料是晶粒尺寸小于100nm的单晶体或多晶体,由于晶粒细小,使其晶界上的原子数多于晶粒内部的,即产生高浓度晶界,因而使纳米材料有许多不同于一般粗晶材料的性能,如强度硬度增大、低密度、低弹性模量、高电阻低热导率等。

纳米材料论文

纳米材料的特性与应用 摘要：纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。 关键词：纳米材料特性应用 1. 纳米发展简史 1959年，着名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。 1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2．什么是纳米材料 纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。 一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 3. 纳米材料的特性 广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。 3.1表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。 3.2小尺寸效应

纳米材料科学与技术

聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress

纳米材料物理

纳米材料的基本效应 纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即尺寸效应(量子尺寸效应、小尺寸效应)/表(界)面效应/量子效应(宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿)/介电限域效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。 宏观尺度的金属材料在高温条件下，其能带可以看作是连续的。 (久保理论) 对于纳米金属颗粒来说，低温下能带的离散性会凸现出来。相邻电子能级之间的间隔d将随颗粒体积V的减小而增加。量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到某一值时，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；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道（HOMO）和最低未被占据分子轨道能级（LUMO），能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。 能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数N→∞)，由久保公式可得能级间距d→0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；而对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致d有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。

Ag的电子数密度n = 6 × 1022/cm3，由公式 当T=1K时，能级最小间距d/kB=1，代入上式，求得d=20nm。根据久保理论，当d＞kB时才会产生能级分裂，出现量子尺寸效应.由此得出，当粒径d＜20nm，Ag纳米微粒变为 非金属绝缘体，如果温度高于1K，则要求d << 20nm才有可能变为绝缘体。这里应当指出，实际情况下金属变为绝缘体除了满足d＞kB外，还需满足电子寿命>h/d的条件。实验表明，纳米Ag的确具有很高的电阻，类似于绝缘体，这就是说，纳米Ag满足上述两个条件。 Shift to higher energy in smaller size Discrete structure of spectra Increased absorption intensity

纳米基础知识考试题学习资料

介绍几种纳米材料的制备方法？ 气相反应法可分为：气相分解法、气相合成法及气-固反应法等 液相反应法可分为：沉淀法、水热、溶剂热法、溶胶-凝胶法、反相胶束法等。 溶胶凝胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，在经热处理而成氧化物或其他化合物固体的方法。步骤：溶胶的制备。溶胶凝胶转化。凝胶干燥。 纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法 真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。 物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 化学方法 气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。 沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。 水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。 溶胶凝胶法 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。

微乳液法 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。 1、论述纳米纤维素的主要制备方法及产物特点？ 纳米纤维素（Nanocelluloe, NC）是以纤维材料作为原料，通过化学、物理或生物处理的途径制备的具有一维纳米尺寸的纤维素材料，它具有纤维素的基本结构、性能以及纳米颗粒的典型特性，如：密度低，来源于可再生原料，可生物降解，弹性模量高达140 GPa，有利于对其进行表面改性等。巨大的比表面积、较高的杨氏模量、超强的吸附能力和高的反应活性，使纳米纤维素具有一些特有的光学性质、流变性能和机械性能。这些特性使其具有广泛的应用价值，可以作为纳米复合材料中的增强材料，以及用于医药、包装、造纸、食品添加剂、油漆涂料、地板、建材等领域。 生物质纳米纤维素的制备方法主要包括强酸水解法、机械分离法、化学预处理结合机械分离法和酶处理结合机械分离法等,. 强酸水解法主要指利用浓硫酸[37]、浓盐酸等强酸处理生物质纤维素,水解掉无定形区物质,保留结晶区的结构完整性,制得长度较短、结晶度较高的纳米纤维素晶须。在利用硫酸的水解过程中,会一定程度上在纳米纤维素晶须的表面引入少量负电荷。这些负电荷间的静电斥力可帮助纳米纤维素晶须均勾的分散在水中。所得晶须具有非常高的比表面积,使其在与聚合物复合时,能够与聚合物形成充足的接触面积,进而起到较好的增强作用。 机械分离法主要包括高压匀质处理、高速研磨处理、高速搅拌处理以及高强度超声处理等。高压匀质处理I48'49]主要是通过均质机内的匀质阀突然失压形成空穴效应和高速冲击,产生强烈的剪切作用,将生物质纤维素机械纤,制得纳米纤维素。这一方法可以批量化生产纳米纤维素,存在的主要问题在于所得纳米纤维素的尺度并不均匀。此外,在纳米纤维素制备过程中,匀质机容易堵塞,为此对通入均质机中的纤维素样品的尺寸要求较高,不宜过大。 高速研磨处理[59]是将纤维素注入到静态磨石与动态磨石之间,在研磨机工作后,动态磨石高速旋转,与静态磨石间产生强烈的剪切作用力,将磨石中间的纤维素“剪开”,制得纳米纤维素。但是在高速研磨的过程中,磨石间的剪切力对纳米纤维素的结晶区也会产生影响,一定程度上降低了所得纳米纤维素的结晶度。 高速搜拌处理是通过高速旋转的马达带动转子转动,进而带动液体高速转动。在高速旋转的过程中,纳米纤维素间相互碰撞,高速运动的水流也会对纳米纤维素产生较强的冲击作用,进而将纳米纤维素分离出来。这一方法的不足在于产量较低,很难实现连续化、批量化生产。高强度超声处理[52-54】主要是借助高强度超声波在水中产生的空化作用,对纤维素进行开纤处理。但是在所得样品中也存在一定的直径较粗的纤维,纤维的直径分布范围较大。

东南大学纳米材料课程总结

什么是量子点 Ⅱ-Ⅵ族量子点有什么独特的荧光特性？ 与传统有机染料相比，量子荧光点有什么优势？ 表征荧光量子点的步骤或注意点？ 什么是EPR效应？在肿瘤治疗方面有什么作用 斑块的形成，POCT试纸的机制 靶向药物按照作用机制可以分为几类？P157 什么是激子态？针对他的特性有什么应用？ 纳米材料、一维、二维纳米材料定义？纳米颗粒？ 简述美罗华单克隆抗体进入人体对肿瘤细胞的主要杀伤机制 胶体金与蛋白质的结合方式？环境pH对二者的结合有何影响? 为何可以用柠檬酸钠还原氯金酸制备纳米金胶体？原理。纳米颗粒的粒径？ 胶体金聚集使溶液变色的原因 纳米颗粒进行磁感应热疗时，肿瘤的散热方式 列举磁性纳米粒子的制备方法以及他们的优缺点 高温分解法制备磁性纳米粒子有什么特点？ 如何让将沉淀反应控制生成纳米颗粒 简述在成核扩散控制模型中，过饱和度对成和速度和生长速度的影响 影响纳米颗粒制备的重要因素、条件 哪几种方法可以获得窄粒度分布的纳米粒子 Ostwald熟化机制？如何制备粒径均匀的纳米颗粒 使纳米颗粒粒径变大的两种机制 剩磁，矫顽力，超顺磁性，量子尺寸效应 超顺磁性与尺寸温度的关系 能级？比较分子能级和半导体颗粒的能级 表面效应？纳米结构？ 纳米材料的研究意义？特性？（表，小尺，量，宏） 纳米粒子的表面修饰有哪些方法？ *lamer成核扩散控制模型p54 什么是激子态？针对他的特性有什么应用？ 在半导体中，如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去，则在价带内产生一个空穴，而在导带内产生一个电子，从而形成一个电子-空穴对。空穴带正电，电子带负电，它们之间的库仑互相吸引作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。 四、表征荧光量子点的步骤或注意点？ 然后表征的注意事项就是 1.测紫外吸收光谱 2.选用最大吸收峰位置的波长的光为激发光 3.注意区分倍频光与真正的荧光 五、什么是EPR效应？在肿瘤治疗方面有什么作用 ERP(enhanced permeability and retention effect)效应就是增强渗透滞留效应（增强透过性与保留效应）相对于正常组织，某些尺寸的分子或颗粒更趋向于聚集在肿瘤组织的性质。