纳米材料研究及检测.

纳米材料研究及检测

【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地

概述了纳米技术，纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料的应用前景。本文以纳米材料为主要研究对象,阐述了其分析使用的分析方法。

【关键词】纳米技术；纳米材料；结构；性能；分析方法；表征

前言

纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米科技是未来高科技的基础, 而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此, 纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义

和作用。

分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一, 它不仅是研究的对象, 而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段。随着纳米材料科学技术的发展, 要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念, 提高其灵敏度、准确度和可靠性, 从中提取更多信息, 提高测试质量、效率和经济性。

纳米材料主要性质有:小尺寸效应[、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。目前表征纳米材料的技术很多，采用各种不同的测量信号形成了各种不同的材料分析方法，大体可以分为以下

几种方法。

1.纳米科学和技术

1.1 纳米科技的定义

纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。

1.2 纳米科技的内容

纳米科技主要包含：纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳米机械学；纳米生物学；纳米显微学；纳米计量学；纳米制造学……

1.3 纳米科技的内涵

第一：纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新

名词。这些新名词所体现的研究内容又有交叉重叠。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料；纳米器件；纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验

的重要基础。目前人们对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳米材料，只局限于纳米材料的制备,这是不全面的。主要原因：国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表

现出来。我国现在300余家从事纳米科技研发的公司也主要是从事纳米材料，尤其是纳米粉体材料的生产。

第二：纳米科技不仅仅是传统微加工技术的扩展和延伸。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品。在未来，人们将可以用纳米技术一个一个地将原子组装起来，制成各种纳米机器如纳米泵、纳米齿轮、纳米轴承和用于分子装配的精密运动控制器。

纳米科技研究的技术路线可分为“自上而下”和“自下而上”两种方式。“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断地在尺寸上将人类创造的功能产品微型化；“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是利用化学和生物学技术。

它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，

标志着人类科学技术已进入一个新的时代。纳米科技的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。

第三：纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题。有些人认为，纳米技术与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题，检验一项技术或产品只要看它是否是纳米量级即可。这种认识是片面的。纳米科技的重要意义主要体现是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质或对原有性质有十分显著的改进和提升。因此，判断纳米材料，不仅仅看颗粒是否在纳米量级，更重要的是要检测它在这一尺寸下，是否发生了性能的改变或原有性能显著的提高。

2 纳米材料

2.1 纳米材料的定义

粒径为1nm-100nm的纳米粉，直径为1nm-100nm的纳米线，厚度为1nm-100nm的纳米簿膜，并且出现纳米效应的材料称为纳米材料。

2.2 纳米材料的分类

A、按维数或结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维纳米材料；一维纳米材料；二维纳米材料；三维纳米材料。

B、按材料物性划分，纳米材料可分为：纳米半导体；纳米磁性材料；纳米非线性光学材料；纳米铁电体；纳米热电材料；纳米光电材料；纳米超导材料。

C、按应用划分，纳米材料又可分为：纳米电子材料；纳米光电子材料；纳米生物医药材料；纳米敏感材料；纳米储能材料。

D、按应用划分，纳米材料又可分为：纳米电子材料；纳米光电子材料；纳米生物医药材料；纳米敏感材料；储能材料。

E、按化学组分划分，纳米材料可划分为：纳米金属；纳米晶体；纳米陶瓷；纳米玻璃；纳米高分子；纳米复合材料。

2.3 纳米材料的颗粒特征

由于颗粒极度细化，晶界所占体积分数增加，使得材料的某些性能发生截然不同的变化。

例如，以前给人极脆印象的陶瓷，纳米化后居然可以用来加工制造发动机零件；

尽管各种块状金属有不同颜色，但当其细化到纳米级的颗粒

时，所有金属都呈现出黑色。

纳米材料的另一特点是熔点极低，金的熔点通常是 1000多摄氏度，而晶粒尺度为 3nm的金微粒，其熔点仅为普通金的一半。

如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级，又将恢复通常陶瓷的特性，因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工，随后进行热处理，使其转变为通常陶瓷，或进行表面热处理，使材料内部保持韧性，但表面却显示出高硬度、高耐磨性与抗腐蚀性。

2.4 纳米材料的结构

在纳米材料的结构中，存在着两种结构组元，即晶体组元和界面组元。晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位置；界面组元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。

晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位置，长程有序；界面组元由处于各晶粒间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。界面原子密度低，界面上邻近原子配位数发生变化，界面原子间距差别大。

纳米材料两种结构组元的存在，特别是界面组元的存在，使其特性既不同于原子，又不同于结晶体，其物理化学性质与块体材料相比有明显差异。可以说它是一种不同于本体材料的新材料。

构成纳米块体材料、薄膜材料、多层膜的基本结构单元主要有：原子团簇、纳米微粒、人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳

米电缆。其中：

原子团簇是一类于20世纪80年代才发现的新的化学物种。它是几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm），如Fen，CunSm，CnHm（n和m为正数）和碳簇（C60, C70等）等。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同于以弱的结合力结合的松散分子团簇和具有周期性的晶体。它们的形状多种多样，它们尚未形成规整的晶体。

纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒,它的尺寸大于原子簇(cluster),小于通常的微粉。在固体物理和分子化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm 的粒子称为“簇”，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在1~100nm之间。当粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有着广阔的使用前景。

人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它的尺寸小于100nm，有时称其为量子点，是20世纪90年代提出来的新概念。人们曾将半导体的量子点也称为人造原子。当体系的尺度与物理特征量相近时，量子效应十分显著。因此当大规模集成电路微细化到100nm 左右时，以传统观念和原理为基础的大规模集成电路的工作原理将受到严峻挑战，电子在人造原子中的运动规律将出现经典物理难于解释的新现象。

2.5纳米材料的性质：

纳米材料的特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显差异。主要表现在：纳米材料性能表现出强烈的尺寸依赖性当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸时，则材料的物性会发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及烧结性能。这主要是由纳米材料的下列效应引起：小尺寸效应（体积效应）；表面与界面效应；量子尺寸效应（久保效应）；宏观量子隧道效应；库仑堵塞与量子隧穿；介电限域效应。

随着颗粒尺寸的减小，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。小尺寸效应为纳米材料的应用开拓了广阔的领域。作为高温陶瓷材料的烧结活化剂；通过改变晶粒尺寸来控制吸收波的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等；陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷却具有良好的韧性。这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移。因此使原先脆性的材料表现出良好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能；纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料硬件3~5倍，则金属-陶瓷复合材料可在更大的范围内改变材料的力学性能，应用前景十

分广阔.

纳米材料的表面效应是指：随着粒子粒径变小，表面原子数与总原子数之比急剧增大后引起性质上的变化。纳米粉体隨著粒径变小，占表面位置的原子数量增加，因此纳米粉微粒通常具有相当高的表面能。

当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立（离散）能级的现象、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和能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。纳米材料的量子尺寸效应即处于分离量子化能级中的电子的波动性带来了纳米材料一系列的特殊性质。

纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有：高度光学非线性；特异性催化和光催化性；强氧化性与强还原性。用这一特性可制得光催化剂、强氧化剂与强还原剂。可使用于制备无机抗菌材料。

微观粒子具有粒子性又具有波动性，因此具有贯穿势垒的能力，称之为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。

库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一。当体系的尺度进入到纳米级，体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec 为e2/2C，体系越小，C越小，能量越大。这个能量称为库仑堵塞能。

介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，这种介电增强通常为介电限局，主要来源于微粒表面

和内部局场强的增加。当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域强的增加称为介电限域。

一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。因此，在分析纳米材料光学现象的时候，既要考虑量子尺寸效应，又要考虑介电限域效应。

3 纳米材料检测方法

3.1X射线衍射分析（XRD)

X射线粉末衍射法的基本原理是:一束单色X射线碰击到研成细粉的样品上，在理想情况下，样品中晶体按各个可能的取向随机排列。在这样的粉末样品中，各种点阵面也以每个可能的取向存在。因此，对每套点阵面，至少有一些晶体的取向与入射束成Bragg角e，于是对这些晶体和晶面发生衍射。衍射束采用与图象记录仪相连的可移动检测仪Geiger，如计数器(衍射仪)检测，在记录纸上画出一系列峰。峰度位置和强度很容易从谱图上得到，从而使它成为物相分析的极为有用和快速的方法。

3.2光谱分析方法

3.2.1激光拉曼光谱分析(LR)

拉曼散射的过程涉及光的弹性散射和非弹性散射，当一束频率为n。的单色光照射到样品上时，都会发生散射现象，产生散射光，将产生弹性散射 (Rayleighscattering)和非弹性散射(Raman

scattering)。散射光的大部分具有与入射光(激发光)相同的频率，即散射光的光子能量与入射光的相同，这就是弹性散射，称为瑞利散射。当散射光的光子能量发生改变与入射光不同时，其频率高于和低于入射光即非弹性散射，称为拉曼散射。频率低于激发光的拉曼散射叫斯托克斯散射，频率高于激发光的拉曼散射叫反斯托克散射。其中Stokes线(v0一△v)与Anti-stokes线(v0+△v)对称分布在激发线(n0)。由于拉曼位移△、只取决于散射分子的结构而与v0无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。拉曼位移△v(散射光的波数与入射光波数之差)反映了分子内部的振动和转动方式。由此可以研究分子的结构和分析鉴定化合物。

3.2.2紫外一可见吸收光谱分析(UV-VIS)

电磁波可以和物质发生作用，物质吸收电磁波就可以产生电磁波谱。物质的运动包括宏观运动和微观运动。在微观运动中组成分子的原子之间的键在不断振动，当电磁波的频率等于振动的频率时，分子就可以吸收电磁波，使振动加剧。化学键的振动频率位于红外区，所以这种吸收光谱称为红外吸收光谱。原子由原子核和核外电子组成，核外电子在不断的运动着。当用紫外光照射分子时，电子就会吸收紫外光跃迁到能量更高的轨道上运动，由此产生的电磁波谱称为电子波谱或称为紫外一可见吸收光谱。原子核也处于不断的运动中，具有自旋的原子核置于外磁场中时可以吸收特定波段的电磁波，发生核磁共振，由此得到核磁共振

谱。

3.2.3红外光谱分析(IR)

红外光谱是根据物质吸收红外辐射能量后引起分子振动和转动的能级跃迁，记录跃迁过程吸收或发射的电磁波，而获得该分子的红外吸收光谱。不同物质对红外辐射的吸收不同，其红外光谱图也不相同。

3.2.4原子吸收光谱分析(AAS)

原子吸收光谱法是上世纪50年代中期出现并在以后逐渐发展起来的一种新型的仪器分析方法，这种方法根据蒸气相中被测元素的基态原子对其原子共振辐射的吸收强度来测定试样中被测元素的含量。它在地质、冶金、农业、食品、轻工、机械、化工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域有广泛的应用。当有辐射通过自由原子蒸气，且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态(一般情况下都是第一激发态)所需要的能量频率时，原子就要从辐射场中吸收能量，产生共振吸收，电子由基态跃迁到激发态，同时伴随着原子吸收光谱的产生。

3.2.5原子发射光谱分析(AES)

原子发射光谱分析(AES)以直流电弧，交流电弧或高压火花等为信号激发源，其能量使样品蒸发为气态原子并将气态原子外层电子激发至高能态，处于激发态的原子向低能级跃迁产生辐射，产生的辐射经过分光仪器分光，按波长顺序记录在感光板上，从而获得了按光谱线形式表达的样品发射光谱图。依据获得的样品光谱图即可实现样品化学成分定性分析，确定样品的组成;也可通过对各种特征谱线强度

的测定确定样品中各元素的含量，从而实现样品化学组成的定量分析。

3.2.6原子荧光光谱分析(AFS)

物质被某一波长的光照射后，会发射出比照射波长稍长的光，这种光称为荧光，它的过程是当物质的分子处于基态时，吸收光后，可跃迁到激发态，各激发态分子相互撞击而以无辐射能量损失的形式回到第一激发态的最低振动能级，这一振动能级的分子在返回基态时，所发射的光称为荧光;但当它转入亚稳的三重线级，停留一段时间，返回至基态时所发出的光称为磷光。对于给定的物质来说，当激发光的波长、强度、荧光池厚度一定，时荧光强度与所测定的荧光物质浓度成比例，由此可求出所测定物质的含量。

3.3X射线光电子能谱(XPS)

X射线光电子能谱(X-ray photo electron spectroscopy，XPS)是经过近20年的潜心研究于20世纪60年代发明的一种新的分析方法。XPS是用特征X射线作入射束，是用在与样品表面原子相互作用后，将原子内壳电子激发电离，形成光电子，然后测量光电子的动能来鉴定样品所含元素及其化学状态。由于各种元素的原子结构不同，原子内层能级上电子的结合能是元素特性的反应，此方法具有标识性，可以作为元素分析的“指纹”。XPS属表面分析法，它可以给出固体样品表面所含的元素种类(适用于除H，He以外的所有元素)、化学组成以及有关的电子结构等重要信息，在各种固体材料的基础研究和实际应用中起着重要的作用。它既可以探测表面的化学组成，可以

确定各元素的化学状态，因此，这种分析方法在化学/材料科学及表面科学中得到了非常广泛地应用。随着现代科学技术的迅速发展，XPS 也在不断地完善。目前，已开发出小面积X射线光电子能谱，使得XPS的空间分辨能力有了很大的提高。利用X射线光电子能谱法可分析纳米材料的表面化学组成、原子价态、表面形貌、表面微细结构状态及表面能态分布等。

3.4电子显微分析方法

电子显微镜 (electron microscope，EM)是使用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨率和高放大倍数的电子光学显微镜。电子显微分析方法以材料微观形貌，结构与成分分析为基本目的。电子显微分析方法中得到广泛应用的分别为透射电子显微镜分析与

扫描电子显微镜分析及电子探针分析。

3.5 扫描电子显微镜 (SEM)

扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)简称扫描电镜，是利用电子束在样品表面扫描激发出来代表样品表面特征的信号成像的。扫描电子显微镜(SEM)是由热阴极电子枪发射出的电子在电场作用下加速，经过2-3个电磁透镜的作用，在样品表面聚焦成为极细的电子束最小直径为1-10nm)。场发射扫描电子显微镜的分辨率可达到1nm，放大倍数可达到15万-20万倍，还可以观察样品表面的成分分布情况。

3.6原子力显微技术 (AFM)

原子力显微镜(Atomic force microscopy)的主要特征是不要求

电导的表面，因为它测量的是扫描探针和它的样品表面间的相互作用力，包括静电的、范德华的、摩擦的、表面张力的(毛细的)和磁力的，因此它克服了STM方法的不足并成为它的互补。由于仪器可以调节到所测量对象特定力有敏感作用的，故其可测量样品范围扩展到有机、无机、生物材料及技术样品。不同于STM，从AFM探针所获得是每一个表面点力的图。这力的图可解释为表面结构的反映，是磁的、静电的诸种力的几何拓朴图。AFM测定样品表面形貌的模式有三种:接触式、非接触式和轻敲式(tapping mode)。

3.7扫描隧道显微镜(STM)

扫描隧道显微镜 (STM)是一种新型的表面测试分析仪器。与SEM、TEM相比，STM具有结构简单、分辨本领高等特点，可在真空大气或液体环境下以及在实空间内进行原位动态观察样品表面的原子组态，并可直接甲于观察样品表面发生的物理或化学反应的动态过程及反

应中原子的迁移过程等。

3.8射电子显微镜(TEM)

透射电子显微镜(trans mission electron microscope.TEM)是采用透过薄膜样品的电子束成像来显示样品内部组织形貌与结构的。它可以在观察样品微观组织形态的同时，对所观察的区域进行晶体结构鉴定(同位分析):其分辨率可达10nm，放大倍数可达40万-60万倍。此法用于薄层样品微观形貌观察与结构分析。透射电镜成像原理与光学显微镜类似，即以电子束为照明源，经聚光镜聚焦后照射样品，透射电子经成像系统聚焦、放大、成像，并由荧光屏显示或底片记录。

常用的方法有:超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂在预处理过的铜网上进行观察。

现有纳米测量方法往往测量大面积或大量的纳米材料以表征纳米材料的单一尺度和性能，所得的测量结果是整个样品的平均值，因此，单个纳米颗粒、单根纳米管的奇异特性就被掩盖了[10]。对现有的纳米测量方法来说，表征单一纳米颗粒、纳米管、纳米纤维的尺度和性能是一个难题和挑战。首先，因为它们的尺寸相当小，对单一纳米颗粒、纳米管的固定和夹持无法用大尺寸的固定和夹持技术来实现。其次，纳米结构的小尺寸使得手工操纵相当困难，需要有一种针对单一纳米结构设计的专门操纵技术来进行操作。Wang研究了用原位透射电子显微镜来测量单根碳纳米管力学强度的技术，专门制作了可通过外加电场来控制试样的夹具。在电镜中能够清楚地观察到每个单根的碳纳米管，因而能够对单根纳米管进行性能测量。

3.9电化学检测方法

电化学分析是以测量某一化学体系的电响应为基础建立起来的一类分析方法，同时一些电化学检测方法也是对纳米薄膜材料检测的重要手段。常用于检测金属沉积的电化学方法主要有:循环伏安法(CV)，线性扫描伏安法(LSV)，开路电位时间曲线(OCP-t)和电化学直流极化分析法(Electro chemical depolarization analysis)等。用相应的电化学方法如阳极溶出伏安法，对已沉积的薄膜进行扫描，随着薄膜的溶解，扫描得到的谱图中就会出现组分的溶出峰，根据溶出

峰的位置可对组分成分进行定性检测。同时溶出峰的位置还能判断薄

膜与基体材料的结合强度，峰面积代表沉积量，即可算出膜的厚度。

另外，采用电化学阻抗技术，还可以研究薄膜的物理参数。

4.纳米材料的应用

性能用途

力学性能

超硬、高强、高韧、超塑性材料，特别是陶瓷增韧和高韧高硬涂层

光学性能

光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光过滤材料、光存贮、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、红外线传感器、光折变材料

磁性

磁流体、磁记录、永磁材料、磁存储器、磁光元件、磁探测器、磁制冷材料、吸波材料、细胞分离、智能药物

电学性能

导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏电阻、非线性电阻、静电屏蔽

催化性能催化剂

热学性能耐热材料、热变换材料、低温烧结材料

敏感特性湿敏、温敏、气敏等传感器、热释电材料

其他

医学（细胞分离，细胞染色，医疗诊断，消毒杀菌，药物载体）、能源（电池材料，贮氢材料）、环保（污水处理，废物料处理，空气消毒）、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷

油墨、润滑剂

纳米材料各方面的性能在实际中的应用归纳如下：

参考文献

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纳米材料研究方法

纳米材料研究方法 ——《材料研究方法》课程论文学院：机电工程学院 ：王前聪 学号：201602044

纳米材料研究方法 摘要：本文以纳米材料为主要研究对象,阐述了其分析使用的分析方法。 关键词：纳米材料分析方法表征 1前言 纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米科技是未来高科技的基础, 而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此, 纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用。分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一, 它不仅是研究的对象, 而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段。随着纳米材料科学技术的发展, 要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念, 提高其灵敏度、准确度和可靠性, 从中提取更多信息, 提高测试质量、效率和经济性。 纳米材料主要性质有:小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。目前表征纳米材料的技术很多，采用各种不同的测量信号形成了各种不同的材料分析方法，大体可以分为以下几种方法。

2 X射线衍射分析（XRD) X射线粉末衍射法的基本原理是:一束单色X射线碰击到研成细粉的样品上，在理想情况下，样品中晶体按各个可能的取向随机排列。在这样的粉末样品中，各种点阵面也以每个可能的取向存在。因此，对每套点阵面，至少有一些晶体的取向与入射束成Bragg角e，于是对这些晶体和晶面发生衍射。衍射束采用与图象记录仪相连的可移动检测仪Geiger，如计数器(衍射仪)检测，在记录纸上画出一系列峰。峰度位置和强度很容易从谱图上得到，从而使它成为物相分析的极为有用和快速的方法。 3光谱分析方法 3.1激光拉曼光谱分析(LR) 拉曼散射的过程涉及光的弹性散射和非弹性散射，当一束频率为n。的单色光照射到样品上时，都会发生散射现象，产生散射光，将产生弹性散射(Ray leighscattering)和非弹性散射(Raman scattering)。散射光的大部分具有与入射光(激发光)相同的频率，即散射光的光子能量与入射光的相同，这就是弹性散射，称为瑞利散射。当散射光的光子能量发生改变与入射光不同时，其频率高于和低于入射光即非弹性散射，称为拉曼散射。频率低于激发光的拉曼散射叫斯托克斯散射，频率高于激发光的拉曼散射叫反斯托克散射。其中Stokes线(v0一△v)与Anti-stokes线(v0+△v)对称分布在激发线(n0)。由于拉曼位移△、只取决于散射分子的结构而与v0无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。拉曼位移△v(散射光

纳米材料的研究进展及其应用全解

纳米材料的研究进展及其应用 姓名：李若木 学号：115104000462 学院：电光院

1、纳米材料 1.1纳米材料的概念 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著不同。 1.2纳米材料的发展 自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段： 第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

2、纳米材料：石墨烯 2.1石墨烯的概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。 另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。 作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

纳米材料的特性及相关应用

纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体

积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使

纳米材料研究及检测.

纳米材料研究及检测 【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地 概述了纳米技术，纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料的应用前景。本文以纳米材料为主要研究对象,阐述了其分析使用的分析方法。 【关键词】纳米技术；纳米材料；结构；性能；分析方法；表征 前言 纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米科技是未来高科技的基础, 而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此, 纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义 和作用。 分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一, 它不仅是研究的对象, 而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段。随着纳米材料科学技术的发展, 要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念, 提高其灵敏度、准确度和可靠性, 从中提取更多信息, 提高测试质量、效率和经济性。 纳米材料主要性质有:小尺寸效应[、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。目前表征纳米材料的技术很多，采用各种不同的测量信号形成了各种不同的材料分析方法，大体可以分为以下

几种方法。 1.纳米科学和技术 1.1 纳米科技的定义 纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。 1.2 纳米科技的内容 纳米科技主要包含：纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳米机械学；纳米生物学；纳米显微学；纳米计量学；纳米制造学…… 1.3 纳米科技的内涵 第一：纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新

纳米材料的发展及研究现状

纳米材料的发展及研究现状 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。 纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单

元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基

纳米抗菌材料国内外研究现状

1.国内外研究现状和发展趋势 （1）多尺度杂化纳米抗菌材料的国内外研究进展 Ag+、Zn2+和Cu2+等金属离子具有抗菌活性，且毒性小、安全性高而被广泛用作抗菌剂使用。但是，由于其存在易变色、抗菌谱窄、长效性差、耐热性和稳定性不好等缺点而成为其进一步发展的障碍。相比而言，纳米银、纳米金、纳米铜、纳米氧化锌等纳米材料则可以在一定程度上克服这些问题。例如纳米银，在抗菌长效性和变色性方面均比银离子（多孔纳米材料负载银离子）抗菌剂有显著改善，而且其毒性也更低（Adv. Mater.2010）；关于其抗菌机理，被认为是纳米银释放出银离子而产生抗菌效果（Chem. Mater 2010，ACS Nano 2010）。纳米金也有类似的效果（Adv. Mater. ），尽管活性比纳米银稍差，但其对耐药菌株表现出良好的抗菌活性(Biomaterials 2012)。铜系抗菌材料可阻止“超级细菌”（NDM-1）的传播（Lancet .2010）。活性氧化物是使用时间最长、使用面最广泛的一类长效抗菌剂，其中氧化锌是典型代表，特别是近年来随着纳米技术的发展，一系列低维结构氧化锌的出现，为氧化锌系抗菌材料提供了极大的发展空间，由于其良好的安全性，氧化锌甚至可用于牙科等口腔材料（Wiley Znter Sci.，2010）。本项目相关课题组多年的研究发现，ZnO的形貌差异、结构缺陷和极化率等都会影响其抗菌活性（Phys. Chem. Chem. Phys. 2008）；锌离子还可以与多种成分杂化，产生协同抗菌活性而提高其抗菌性能（Chin. J. Chem.2008, J. Rare Earths 2011）。 利用杂化纳米材料结构耦合所带来的协同作用提高纳米材料的抗菌活性是近年来的研究热点。例如：纳米铜与石墨烯杂化体系中存在显著的协同抗菌作用（ACS Nano2010）。用络氨酸辅助制备的Ag-ZnO杂化纳米材料，表现出良好的抗菌和光催化性能（Nanotechnology 2008）；但是Ag的沉积量过大，催化活性反而有所降低（J. Hazard. Mater. 2011）。以壳聚糖为媒质，通过静电作用合成得到均匀的ZnO/Ag纳米杂化结构，结果显示，ZnO/Ag纳米杂化结构比单独的ZnO 和单独纳米Ag的抗菌活性都高，表现出明显的协同抗菌作用（RSC Adv. 2012）。Akhavan等用直接等离子体增强化学气相沉积技术，结合溶胶-凝胶技术

纳米材料研究进展

2011年第4期甘肃石油和化工2011年12月 纳米材料研究进展 李彦菊1，高飞2 （1.河北科技大学化学与制药工程学院，河北石家庄050018； 2.中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄050000） 摘要：纳米材料具有的独特的物理和化学性质，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。综述了纳米材料 的分类、特性以及应用领域。 关键词：纳米材料；功能材料；复合材料 1前言 纳米（nm）是一个极小的长度单位，1nm=10-9m。当物质到纳米尺度以后，大约是在1～100nm 这个范围空间，物质的性能就会发生突变，呈现出特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。纳米技术正是利用纳米粒子这些特性实现其在各行各业中的特殊应用［1，2］。纳米技术和纳米材料的科学价值和应用前景已逐步被人们所认识，纳米科学与技术被认为是21世纪的三大科技之一。目前世界各国都对纳米材料和纳米科技高度重视，纷纷在基础研究和应用研究领域对其进行前瞻性的部署，旨在占领战略制高点，提升未来10～20年在国际上的竞争地位。我国政府对纳米科技十分重视，先进的纳米产业正在蓬勃发展［3，4］。 2纳米材料的分类 以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1～100nm［5］。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。广义而言，纳米材料是指在3维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数［6］，纳米材料的基本单元可以分为3类：①0维，指在空间3维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等；②1维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等； ③2维，指在3维空间中有1维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。按化学组成可分为：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料［7，8］。按材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。纳米材料大部分都是人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的［9，10］。 3纳米材料的特性［11，12］ 3.1表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面体 收稿日期：2011-07-05 作者简介：李彦菊（1981-），女，河北廊坊人，硕士，已发表论文10余篇，其中SCI2篇。主要从事纳米材料的研究工作。8

纳米材料的测试与表征

纳米材料的测试与表征 目录 一、纳米材料分析的特点 二、纳米材料的成分分析 三、纳米材料的结构分析 四、纳米材料的形貌分析 一、纳米材料分析的特点 纳米材料具有许多优良的特性诸如高比表面、高电导、高硬度、高磁化率等； 纳米科学和技术是在纳米尺度上（0.1nm~100nm之间）研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并利用这些特性的多学科的高科技。 纳米科学大体包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等领域。 纳米材料分析的意义 纳米技术与纳米材料属于高技术领域，许多研究人员及相关人员对纳米材料还不是很熟悉，尤其是对如何分析和表征纳米材料，获得纳米材料的一些特征信息。 主要从纳米材料的成分分析，形貌分析，粒度分析，结构分析以及表面界面分析等几个方面进行了检测分析。 通过纳米材料的研究案例来说明这些现代技术和分析方法在纳米材料表征上的具体应用。 二、纳米材料的成分分析 ●成分分析的重要性 ?纳米材料的光电声热磁等物理性能与组成纳米材料的化学成分和结构具有密切关 系 ?TiO2纳米光催化剂掺杂C、N ?纳米发光材料中的杂质种类和浓度还可能对发光器件的性能产生影响据报；如通过 在ZnS中掺杂不同的离子可调节在可见区域的各种颜色。 ?因此确定纳米材料的元素组成测定纳米材料中杂质种类和浓度是纳米材料分析的 重要内容之一。 ●成分分析类型和范围 ?纳米材料成分分析按照分析对象和要求可以分为微量样品分析和痕量成分分 析两种类型； ?纳米材料的成分分析方法按照分析的目的不同又分为体相元素成分分析、表面 成分分析和微区成分分析等方法； ?为达此目的纳米材料成分分析按照分析手段不同又分为光谱分析、质谱分析、 能谱分析 ●纳米材料成分分析种类 ?光谱分析:主要包括火焰和电热原子吸收光谱AAS，电感耦合等离子体原

什么是纳米材料[1]

什么是纳米材料 纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米cu材料，硬度比粗晶cu提高5倍；晶粒为7urn的pd，屈服应力比粗晶pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑

纳米材料国内外研究进展

纳米材料国内外研究进展 一、前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)[1]。自20世纪80年代初, 德国科学家 Gleiter[2]提出“纳米晶体材料”的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1～100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒)，一维材料(直径为纳米量级的纤维)，二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)[3]。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域。 二、国内外研究现状 1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料, 同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议, 使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议, 标志着纳米科技的正式诞生；l994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议,表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。近年来，世界各国先后对纳米材料给予了极大的关注，对纳米材料的结构与性能、制备技术以及应用前景进行了广泛而深入的研究，并纷纷将其列人近期高科技开发项目。2004年度纳米科技研发预算近8.5亿美元，2005年预算已达到10亿美元，而且在美国该年度预算的优先选择领域中，纳米名列第二位。现在美国对纳米技术的投资约占世界总量的二分之一[4]。 自70年代纳米颗粒材料问世以来，80年代中期在实验室合成了纳米块体材料, 至今已有 30多年的历史, 但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在 80年代中期以后。因此 ,从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段[5]。 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索，用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复

纳米材料研究现状及应用前景要点

纳米材料研究现状及应用前景 摘要：文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、纳米复合材料和纳米结构的制备方法，综述了纳米材料的性能和目前主要应用领域，并简单展望了纳米科技在未来的应用。 关键词：纳米材料；纳米材料制备；纳米材料性能；应用 0 引言 自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展。纳米材料的研究已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属无机载体、金属有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等一维材料，制备方法及应用领域日新月异。 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体( 零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等) 、纳米纤维( 一维纳米材料) 、纳米薄膜( 二维纳米材料) 、纳米块体( 三维纳米材料) 、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于中间物态的固体颗粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最长、技术最成熟，是制备其他纳米材料的基础。纳米粉体可用于：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，如纳米碳管，可用于微导线、微光纤( 未来量子计算机与光子计算机的重要元件) 材料、新型激光或发光二极管材料等。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合( 0- 0 复合) 、纳米微粒与常规块体复合( 0- 3复

物理在纳米材料测试表征中的应用讲解

物理在纳米材料测试表征中的应用 摘要：介绍了纳米材料的特性及一般的测试表征技术，主要从纳米材料的形貌分析，成分分析以及结构分析入手，介绍了扫描电子显微镜，透射电子显微镜，X 射线衍射，X射线荧光光谱分析，能谱分析等分析测试技术的工作原理及其在纳米粒子结构和性能分析上的应用和进展。 关键词：纳米材料；测试技术；表征方法 Abstract：The characterization and testing of nano-materials was described. Depend on the morphology, component and structure of nano-materials, the mechanism and applications of scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectroscopy, energy dispersive x-ray spectroscope (EDS) technology was presented. Further, the application and development of those technologies were described. Keyword: nano-materials; testing technology; characterization 0. 前言 分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一，它不仅是研究的对象，而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段[ 1 ]。随着纳米材料科学技术的发展，要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念，提高其灵敏度、准确度和可靠性，从中提取更多信息，提高测试质量、效率和经济性[ 2 ]。纳米科学和技术是在纳米尺度上（0. 1～100nm）研究物质（包括原子、分子）的特性及其相互作用, 并且对这些特性加以利用的多学科的高科技。纳米科技是未来高技的基础，而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此，纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用[ 3 ]。 1. 纳米材料的形貌分析 1.1 形貌分析的重要性

纳米材料检测方法

纳米材料检测方法 1.X射线衍射分析（XRD) X射线粉末衍射法的基本原理是:一束单色X射线碰击到研成细粉的样品上，在理想情况下，样品中晶体按各个可能的取向随机排列。在这样的粉末样品中，各种点阵面也以每个可能的取向存在。因此，对每套点阵面，至少有一些晶体的取向与入射束成Bragg角e，于是对这些晶体和晶面发生衍射。衍射束采用与图象记录仪相连的可移动检测仪Geiger，如计数器(衍射仪)检测，在记录纸上画出一系列峰。峰度位置和强度很容易从谱图上得到，从而使它成为物相分析的极为有用和快速的方法。 2.光谱分析方法 2.1激光拉曼光谱分析(LR) 拉曼散射的过程涉及光的弹性散射和非弹性散射，当一束频率为n。的单色光照射到样品上时，都会发生散射现象，产生散射光，将产生弹性散射(Rayleighscattering)和非弹性散射(Raman scattering)。散射光的大部分具有与入射光(激发光)相同的频率，即散射光的光子能量与入射光的相同，这就是弹性散射，称为瑞利散射。当散射光的光子能量发生改变与入射光不同时，其频率高于和低于入射光即非弹性散射，称为拉曼散射。频率低于激发光的拉曼散射叫斯托克斯散射，频率高于激发光的拉曼散射叫反斯托克散射。其中Stokes线(v0一△v)与Anti-stokes线(v0+△v)对称分布在激发线(n0)。由于拉曼位移△、只取决于散射分子的结构而与v0无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。拉曼位移△v(散射光的波数与入射光波数之差)反映了分子内部的振动和转动方式。由此可以研究分子的结构和分析鉴定化合物。 2.2紫外一可见吸收光谱分析(UV-VIS) 电磁波可以和物质发生作用，物质吸收电磁波就可以产生电磁波谱。物质的运动包括宏观运动和微观运动。在微观运动中组成分子的原子之间的键在不断振动，当电磁波的频率等于振动的频率时，分子就可以吸收电磁波，使振动加剧。化学键的振动频率位于红外区，所以这种吸收光谱称为红外吸收光谱。原子由原子核和核外电子组成，核外电子在不断的运动着。当用紫外光照射分子时，电子就会吸收紫外光跃迁到能量更高的轨道上运动，由此产生的电磁波谱称为电子波谱或称为紫外一可见吸收光谱。原子核也处于不断的运动中，具有自旋的原子核置于外磁场中时可以吸收特定波段的电磁波，发生核磁共振，由此得到核磁共振谱。 2.3红外光谱分析(IR) 红外光谱是根据物质吸收红外辐射能量后引起分子振动和转动的能级跃迁，记录跃迁过程吸收或发射的电磁波，而获得该分子的红外吸收光谱。不同物质对红外辐射的吸收不同，其红外光谱图也不相同。

纳米材料研究现状复习课程

纳米材料研究现状

纳米材料特性及研究现状 1 纳米材料的简介 纳米，实际上是一个长度单位，1纳米（nm）=1000000000米。纳米材料，纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成,是指材料至少有一个维度小于100纳米，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域[1]。纳米材料其实并不神秘和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。蜜蜂、海龟不迷路----体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。 纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1-100nm的超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料[2]。而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料。 1.1纳米材料按结构分类 零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料，如纳米粒子、原子团簇等；一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米线纳米管；二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜；三维纳米材料（纳米固体材料）：指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密性固体材料。纳米固体材料的主要

特征是具有巨大的颗粒间界面，如5 nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性[3]。 2 纳米材料的奇特性质 由于尺寸的特殊性，纳米材料具有特定的物理效应，使其展现出不同于体相材料的特殊的物理性能和化学性能，特别是具有新颖的物理性能[4]，使纳米材料具有广泛的应用前景。纳米材料一般具有如下四大物理效应： 2.1 小尺寸效应 当纳米颗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，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现出小尺寸效应[5]。例如：光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向无序态，超导相向正常态的转变；声子谱发生改变等。 2.2 表面效应 由比表面积及表面原子数的增加而引起的特殊效应成为表面效应[6]。 纳米微粒尺寸小，表面面积大，位于表面的原子占很大的比例。随着粒径减小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加。如粒径为4 nm的微粒，包含4000个原子，表面原子占40；粒径为1 nm的微粒，包含30个原子，表面原子占99。随着粒径的减小，表面原子所占比例迅速增大，这是由于粒径小使表面原子增多所致。例如，粒径为10 nm时，比表面积为90 m粒径为5 nm 时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2 nm，比表面积增至450m2/g。这样高比例的比表面积，使处于表面的原子数很多，增大了纳米粒子的活性。这种表

纳米材料的表征与测试技术

纳米材料的表征与测试技术 作者：马翔（08级理学院材料化学系学生081132班） 摘要 虽然许多研究人员已经涉足纳米技术这个领域的工作，但还有很多研究人员以及相关产业的从业人员刘一纳米材料还不是很熟悉，尤其是如何分析和表征纳米材料，如何获得纳米材料的一此特征信息。该文对纳米材料的一此常用分析和表征技术做了概括。主要从纳米材料的成分分析、形貌分析、粒度分析、结构分析以及表面界面分析等几个方而进行了简要阐述。 关键词：纳米材料;表征;测试技术 1纳米材料的表征方法 纳米材料的表征主要包括: 1化学成分; 2纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构; 3纳米粒子的表面分析。 1. 1化学成分表征 化学成分是决定纳米粒子及其制品性能的最基本因素。常用的仪器分析法主要是利用各种化学成分的特征谱线，如采用X射线荧光分析和电子探针微区分析法可对纳米材料的整体及微区的化学组成进行测定。而且还可以与扫描电子显微镜SEM配合，使之既能利用探测从样品上发出的特征X 射线来进行元素分析，又可以利用二次电子、背散射电子、吸收电子信号等观察样品的形貌图像。即可以根据扫描图像边观察边分析成分，把样品的形貌和所对应微区的成分有机的联系起来，进一步揭示图像的本质。此外，还可以采用原子l发射光谱AES、原子吸收光谱AAS对纳米材料的化学成分进行定性、定量分析;采用X射线光电子能谱法XPS可分析纳米材料的表一面化学组成、原子价态、表面形貌、表面微细结构状态及表面能态分布等。 1.2纳米徽粒的衰面分析 (1)扫描探针显徽技术SPM 扫描探针显徽技术SPM以扫描隧道电子显微镜STM ,原子力显徽镜AFM、扫描力显微镜SFM 、弹道电子发射显徽镜BEEM、扫描近场光学显微镜SNOM等新型系列扫描探针显徽镜为主要实验技术，利用探针与样品的不同相互作用，在纳米级乃至原子级的水平 上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质，在纳米尺度上研究物质的特性。 (2)谱分析法

纳米材料在生物检测中的应用

2009,Vol.26No.3 化学与生物工程 Chemistry &Bioengineering 58　 收稿日期:2008-11-07 作者简介:谭婷婷(1981-),女,湖北武汉人,硕士研究生,主要研究方向:分析化学;通讯联系人:潘祖亭,教授。E 2mail :ed 2 isonttt2005@https://www.docsj.com/doc/4d2153373.html, 。 纳米材料在生物检测中的应用 谭婷婷,王光寅,潘祖亭,罗运柏 (武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072) 摘　要:纳米颗粒是生物医学中研究最多、应用最广的纳米材料,有许多独特的性质。综述了近年来国际上以纳米颗粒为基础的纳米技术在生物传感器及生物检测中的研究成果和进展,介绍了纳米颗粒的制备方法及其在纳米生物传感器和纳米生物芯片中的应用,结合纳米病原微生物检测介绍了有关免疫传感器检测细菌的研究成果,并对该领域的应用前景进行了展望。 关键词:纳米技术;纳米生物学技术;纳米颗粒;纳米生物传感器;生物检测 中图分类号:O 614　TB 383 文献标识码:A 文章编号:1672-5425(2009)03-0058-04 纳米生物技术是纳米技术与生物技术交叉渗透形成的新技术,是纳米技术的重要组成部分,也是生物医学领域的一个重要发展方向。纳米颗粒通常大于1nm ,是生物医学领域应用最广的纳米材料,也是目前研究得最多的纳米材料之一。纳米颗粒是介于微观与宏观之间的一类新的物质层次,具备许多独特的性质[1],如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、体积效应等。实现对纳米颗粒的尺寸大小、粒度分布、形状、表面修饰的控制,以及它们在光电化学中的应用,是纳米颗粒研究的关键。 1　纳米颗粒的制备和修饰 除了纳米颗粒的特性,其组成成分对于它们的适用性也是非常重要的,如纳米颗粒的组成成分不仅决定了纳米探针与被分析物的兼容性和匹配性,也决定了检测精度。最常见用来制备纳米颗粒的原材料是金、硅和半导体(如CdSe 、ZnS 、CdS )等。 金对于纳米生物技术来讲是一种活性材料,因为金纳米颗粒能与巯基发生强的共价键合[2],使得胶态金与巯基标记的生物活性分子结合形成探针可用于生物体系的检测。Frens [3]用柠檬酸三钠还原HAuC 14得到纳米级胶体金颗粒。研究者进一步优化此方法合成了直径在13nm 左右的纳米金。纳米金较容易被改良,因为它具有微弱的带电配体的结合层,能保持稳定;改良纳米金的方法现在已经很优化,适合于大范围的粒径及多种表面组分。借用纳米金表面易被修饰的 特性,Mirkin 提出了一种合成金壳银核的核-壳型纳米颗粒的方法,以薄金壳包裹在银纳米粒子表面,形成一种金外包被的颗粒,它易与烷基修饰的寡核苷酸共价结合,从而形成新型的银/金核-壳探针。该纳米颗粒既保持着银的化学和物理特性,又具有金的稳定性;这种新型纳米探针与纯金体系的探针有完全不同的色度改变,二者可用来检测同一样本中两种不同的目标DNA 。 硅是一种在生物分析中被广泛采用的材料,如生物传感器、生物芯片等。硅可以通过多种加工技术制备纳米颗粒、透明薄膜以及固体平面材料。硅纳米颗粒的制备有两种经典的途径,一种是倒转微乳化法,主要是用来合成染料掺杂硅颗粒和超小磁性硅颗粒;另一种是St/3ber 方法,用于制备纯硅颗粒和有机染料掺杂硅颗粒。所合成硅颗粒的特征可通过尺度、光学或者磁学特性来描述,其粒径可用透射电镜或扫描电镜来确定(一般直径在60～100nm 之间)。染料掺杂硅颗粒中的染料分子可以是双吡啶钌(RuBpy 2)、若丹明、四甲基右旋糖苷以及荧光素右旋糖苷等,这种硅颗粒的大小和光学特性是决定其用途的最主要因素。磁性硅颗粒包括Fe 3O 4/SiO 2和Fe 2O 3/SiO 2两种,其直径大约在2～3nm ;采用超导量子干扰装置(Super 2conducting quant um interference device ,SQU ID )分析其粉末形式,发现磁性硅颗粒的特性接近超顺磁性物质,可见磁性硅颗粒的大小和磁学特性将决定其最佳合成条件。