第一章 一维无机纳米材料的制备方法
【文献综述】
一维无机纳米材料的制备方法
一．气相法制备
①汽-液-固（VLS）机理生长
方法一（VLS生长法）：
1．以液态金属团簇催化剂作为反应物。
2. 将要制备的一维纳米材料的材料源加热形成蒸汽。
3. 蒸汽扩散到液态金属团簇催化剂表面，形成过饱和团簇后在催化剂表面饱和析出，从而形成一维纳米结构
备注：
液态金属催化剂液滴的尺寸决定了制备出的纳米线的直径。
方法二（激光烧蚀法+VLS生长法）：
1.用含有少量Fe、Au、Ni等金属催化剂的硅粉作为烧蚀靶
2.以氩气作为保护气
3.在陶瓷管中以一定温度下激光蒸发就可获得纳米线
备注：
激光烧蚀法制备出的纳米线直径小于VLS生长法
催化剂的选定：根据相图选定一种能与纳米线材料形成液态合金的金属催化剂
温度的选定：根据相图选定液态合金和固态纳米线材料共存区及制备温度
在纳米线生长头部有一个催化剂纳米颗粒
应用：
VLS生长机理可以应用于制备一维无机纳米材料，例如元素半导体，半导体，氧化物等。但不能制备一维金属纳米材料。同时还应继续探索去除金属催化剂的后处理工序。
②氧化物辅助生长
方法：
1.用SiO2取代金属催化剂制成硅靶，
2.采用激光烧蚀法，热蒸发，化学气相沉积法大规模制备硅纳米线
备注：
1.氧化物在硅纳米线的成核及生长过程中起主导作用
2.不需要金属催化剂，避免了金属污染，保证了硅纳米线的纯度。
应用：
除了硅以外，还可以制备Ge、C、SiC等Ⅳ族元素及化合物半导体，GaN等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体及ZnO和ZnS等Ⅱ-Ⅵ族材料，并可制备包括线、棒、共轴线、链和丝带状在内的一维纳米结构。
③气-固（VS）生长
方法：
1.将一种或几种反应物在反应容器的高温区加热形成蒸汽
2.利用惰性气体的流动输送到低温区或者通过快速降温使蒸汽沉积下，从而制备出各种纳
米材料
备注：
1.可分为固体粉末物理蒸发法和化学气相沉积法。前者属于物理过程，后者在形成蒸汽后发生了化学反应。且此方法不需加入金属催化剂。
2.纳米线外部包围氧化物层
3.所需制备温度较高
4.制备得到的纳米材料质量较高
应用：
氧化铝纳米带、氧化锌、氧化锡、氧化铟纳米带，氧化铝、氧化镁及氧化锌纳米棒，氮化镓和硫化镉钠米线。以及WS2、MoS2等硫化物纳米管等。
④碳热还原反应
方法：
1.金属氧化物+C——金属亚氧化物+CO
2.金属亚氧化物+O2——金属氧化物纳米线
3.金属亚氧化物+NH3——金属氮化物纳米线+CO+H2
4.金属亚氧化物+N2——金属氮化物纳米线+CO
5.金属亚氧化物+C——金属碳化物纳米线+CO
备注：
1.在纳米线头部没有纳米颗粒
2.纳米线中不含金属催化剂或其他杂质，几乎无缺陷
二．液相法制备：
①溶液-液-固相（SLS）法
其制备法的生长机理类似于金属VLS生长机理，而这主要区别为：SLS法纳米线生长的液态团簇来自于溶液相，而VLS法则来自于蒸汽相。
特点：
1.催化剂通常为低熔点金属（In、Sn、和Bi）
2.所制备的材料组分来自金属有机前驱体的分解
3.获得的以为纳米材料通常为单晶结构
②水热法
水热法是在高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使通常难溶或不溶的物质溶解并进行重结晶。
特点：
1.反应条件温和、污染小、成本较低、易于商业化、产物结晶好、团聚少及纯度高
2.用此法植被其他方法难于制备的管状结构也具有其独到之处（例如用易发生歧化分解的SiO为原料，用水热法自主生成纳米管，此法不需要金属催化剂及模板）
3.改变原料及控制工艺条件，可以控制纳米管的直径和形状
应用：
一维镧系化合物纳米材料（具有六方晶相，容易进行各方异性生长，在水热条件下易于制备）、正磷酸镧系化合物纳米线、SiC纳米棒、Bi2S3纳米线及β-MnO2纳米线、TiO2一维纳米材料等）
③溶剂热合成法
是用有机溶剂代替水作介质，采用类似水热合成的原理来实现一维纳米材料的制备。特点：
1.非水溶剂代替水，可以防止样品被氧化，对于制备非氧化物一维纳米材料至关重要
2.由于有机溶剂的多样性，及具有较低的沸点和各异的介电常数、极性及黏度等，可根据不同的溶剂体系和目标产物设计新的合成路线，以扩大水热技术的应用范围。
3.制备过程比较耗时
4.可制备出超硬材料的纳米线
5.在制备超细纳米线方面也具有一定优势
应用：
CdE（E=S、Se和Te）、ZnTe和Mg（OH）2纳米棒、ZnTe、CdTe、CdSe、PbSe、CuInSe2及InAs 纳米线及Te纳米管、Te纳米管机纳米线、SiC纳米线、Cu2S纳米线、CoPt合金纳米线等。以制备CdS纳米线为例，其生长经历了：形成球状颗粒；形成线球状结构；较短的CdS纳米纤维继续生长，导致了较长的CdS纳米棒的形成；最终CdS纳米线的形成。
④一维纳米材料的自组装
自组装是指分子及纳米颗粒等结构单元在平衡条件下，通过非共价键作用自发地结合成热力学上稳定、结构上确定、性能上特殊的聚集体的过程。
特点：自组装过程一旦开始，将自动进行到某个预期的终点，分子等结构单元将自动排列成有序的图形，即使是形成复杂的功能体系，也不需要外力的作用。
支配原则：自由能的最小化
自组成的关键：界面分子的识别
内部驱动力：包括氢键、范德华力、静电力、电子效应、官能团的立体效应和长程作用等。两种组装方法：I在一定条件下纳米颗粒自发组装成一维纳米结构
II首先使反应物和一些大分子相互作用，然后通过大分子自组装，再诱导形成一维纳米结构。
应用：CdTe纳米线、TiO2纳米管、SiO2纳米管（同时形成AgCl纳米链）、银（金）纳米链等
三．模板法
①多孔氧化铝模板法
多孔氧化铝是一种在阳极化过程中自主装形成的具有有序孔道的纳米结构。
方法：
1.以多孔氧化铝为模板
2.限域生长出各种一维无机纳米材料。纳米线、纳米管、纳米线阵。
3.配合化学沉积法、CVD法和溶胶-凝胶法
备注：
1.溶胶-凝胶法所得的一维纳米结构与浸泡时间密切相关，浸泡时间短形成管状，时间长形成线状。
②微孔、中子分子筛模板法
方法：
与氧化铝模板法相似，其模板采用分子筛（有SiO2分子筛）
备注：
1.模板的尺寸决定了纳米线的直径，为几个纳米
③碳纳米管模板法
碳纳米管中空结构为制备一维纳米材料提供了模板，可用来制备纳米线和纳米管，碳纳米管就像一个特殊的“试管”，一方面在反应过程中提供所需碳源，另一方面，提供了形核场所，同时又限制了生成物的生长方向。
普遍适用反应公式：
C（碳纳米管）+MO（g）→碳化物（纳米线）+CO
C（碳纳米管）+MX4（g）→碳化物（纳米线）+2X2
MO表示易挥发的金属或非金属氧化物，MX4表示易挥发的金属或非金属卤化物
所要之辈材料的前去体溶液要通过毛细作用进入纳米管的管道内必须满足以下条件：
⑴所用溶液必须能够润湿碳纳米管，即溶液的表面张力小于临界值（100-200mN∕m）；
⑵所制备材料的融融温度要足够低，不能对碳纳米管造成热损伤；
⑶所制备纳米材料必须与碳纳米管有化学键作用。
现用该法制备出：长度及直径均比纳米管的相应尺寸打一个数量级的实心碳化硅纤维；直径1-30nm、长度20μm的碳化物（SiC、NbC、Fe3C和BCx）纳米棒；直径4-50nm、
长25μm的GaN纳米纤维；一维半导体V2O5纳米纤维；Ag、Au、Pt和Pd
等金属纳米线；很多碳化物和氮化物纳米材料。
④其他材料模板法
目前除以上模板外，还以各种生物模板及多孔硅模板来制备一维无机纳米材料。另外，以各种一维无机纳米材料，如硅纳米线、ZnS纳米线等作为模板，通过充填或氧化还原反应可以制备出其他新型的一维无机纳米材料。
例：用垂直的归纳米线为模板制备出高质量SiO2纳米管阵列
⑤软模板法：
主要利用表面活性剂中的微孔，即用棒状胶束、微乳液为模板。
影响因素：1.纳米线的长径比由胶束、微乳模板的形状和尺寸、前躯体盐和表面活性剂的浓度所决定。
2.表面活性剂可诱导纳米材料的一维生长。
3.棒状胶束使前躯体进一步形成线状结构。
4.在电化学辅助沉积过程中，电场有助于液晶胶束的定向排列，可制备出长径比
很大的纳米线。
第四章一维氧化物纳米材料
二氧化锡(SnO2)
二氧化锡又名氧化锡，式量150.7。白色，四方、六方或正交晶体，密度为6.95克/
立方厘米，熔点1630℃，于1800～1900℃升华。难溶于水、醇、稀酸和碱液。缓溶于热浓强碱溶液并分解，与强碱共熔可生成锡酸盐。能溶于浓硫酸或浓盐酸。
纳米二氧化锡
随着现代工业的发展，高技术含量的纳米二氧化锡用途逐渐显现。目前其主要用途为：纳米二氧化锡气敏材料、白色或浅色导电材料、纳米复合光催化材料，并已经显示出现实的市场和潜在的巨大市场。
以纳米SnO2为基本原料，添加少量其他材料而制成的气体传感器，具有比表面积大、相对气体阻抗变化大的优点，因而可以满足气体传感器灵敏度高、使用温度低、检测范围大的要求，能广泛应用于天燃气、煤气、石油、化工等部门，及时准确地对易燃、易爆及有毒气体进行监测预报和自动控制。
以纳米TiO2为核表面包覆Sb2O3-SnO2的粒子制成导电材料及抗静电材料，具有很好的分散性及白度，在获得满意的色泽的同时，又可得到优秀的表面导电性，并且不受湿度及温度的影响，具有稳定的导电性能，可用于抗静电涂料(抗静电地板、抗静电墙面等)、抗静电塑料及橡胶、抗静电纤维(织物、地毯等)、其它静电记录纸、调色剂等。
与二氧化钛等材料复合用于环保产业的纳米TiO2/SnO2复合光催化材料，具有净化空气和自清洁、抗菌功能，可用于各类建筑物表面涂装材料中，不但能净化空气，还能节省大量清洁费用和劳力；用于抗菌荧光灯、抗菌建材、抗菌涂料和抗菌陶瓷卫生设施等领域，为医院、宾馆、家庭提供理想的抗菌除臭新材料。
一维二氧化锡纳米材料的制备
①气相法
在高温炉体的内管采用两个水冷不锈钢装置进行真空密封，在炉子的一端通过超高纯度的氮气，氮气通过绝热管流动到炉管内的中心区域，最后流动到装有Sn/SnO或SnO混合物的氧化铝坩埚处，气体的流量为100cm3/min。内管内压力通常为（2.66~10.64）×104Pa，制备温度为1050~1125℃，最终从管内壁和水冷片上收集到所制备的一维纳米材料。
另外，以SnO粉体为起始物在680℃加热可以制备SnO2纳米线，产物长度可达到10μm，直径在10~190nm之间。以单质Sn粉为反应物在800℃条件下可得到SnO2纳米带，其厚度在10~30nm之间，宽度在60~250之间。
②液相法
以SnCl4为反应物，在醇水体系中可合成极小尺寸的SnO2单晶纳米棒，其长径比约为4：1，长约15nm。以SnCl4·H2O为反应物，在混合有聚乙烯吡咯烷酮的乙二醇体系中于195℃回流3小时可得到具有多晶结构的SnO2纳米棒，其直径约50nm，长度可达30μm，并具有一定的热稳定性。
还可使用SnCl4·5H2O作为原料，将其溶于蒸馏水中，配制成一定浓度的SnCl4溶液，并用弱酸调节溶液的PH值在1-2之间；加入氨水，直至溶液PH值为7-8之间，反应生成Sn(OH)4沉淀；取出Sn(OH)4沉淀，将其进行离心洗涤采用离心设备，将Sn(OH)4沉淀进行离心洗涤，以除去Sn(OH)4沉淀上吸附的氯离子；将Sn(OH)4加入到草酸溶液中，控制PH值在1-2之间，温度在50℃左右，经超声分散并在搅拌条件下形成Sn(OH)4溶胶；将步骤四所制备的溶胶经24-48h老化形成凝胶；将所得凝胶经100℃以上温度条件下干燥5-8h，除去吸附的水分，所得产物经研磨成粉末；最后将Sn(OH)4粉末在250℃-500℃下烧结，经热分解，再结晶即得到具有一维结构的纳米SnO2材料。
③模板法
以SnO2纳米颗粒为原料，利用渗入法以AAO为模板，可合成具有多晶结构的SnO2纳米管。作为原料的SnO2纳米颗粒尺寸大约在10~15nm之间，SnO2纳米颗粒悬浮液在渗入模板前要经过超声处理以防止聚集，同时作为模板的AAO膜事先也要经过浸泡和去气泡处理。浸泡后含有SnO2的AAO模板经过加热处理后，用NaOH溶液溶解除去AAO模板后就得到了SnO2
多晶纳米管。
除了AAO模板外，以纤维组织为模板也可以成功制得SnO2管状结构。其过程类似于利用AAO模板的过程，不同的是最终模板的去除是通过加热燃烧实现的。
第五章 纳米材料的表征
例一、热氧化法制备WO 2.9纳米棒 利用SEM 知道了棒的集体形貌、大体尺寸、取向特性等。 利用XRD 分析获取了纳米棒的晶体结构以及取向分布等信息。利用TEM 、SAD 、HRTEM 、EDS 等分析可以获取单根纳米棒的结构、直径、化学成分、生长方向等信息。 例一、热氧化法制备纳米棒 材料的分析与表征概述
Raman 光谱和光致发光谱给出了化学键合和光学性能信息。 JEOL－200CX 分析型透射电镜 透射电镜观察法(TEM观察法). 透射电镜观察法(TEM观察法). 纳米TiO2晶粒尺寸分布 ?C 透射电镜观察法(TEM观察法).
Ｘ射线法 Ｘ射线法Ｘ射线法比表面积法 比表面积法 方程：吸附质分压P0: 吸附剂饱和蒸汽压 V之间的数量关系，为比表面积测定提供了很好的理论基础。 轴，为方程做图进行线性拟合，得到直线的斜率和截距，从而求得值计算出被测样品比表（二）纳米材料的颗粒尺寸与粒度分析拉曼散射法 拉曼原理：当一束波长为λ的光照射到物质上之后，一部分拉曼散射与粉体粒径的关系：
拉曼散射法 z 特点：灵敏度较低，一般只能测定样品中含量在1%以上的物相，同时，定 量测定的准确度也不高，一般在1%的数量级。 z 所需样品量大（0.1g），才能得到比较准确的结果，对非晶样品不能分析。z 样品的颗粒度对X射线的衍射强度及重现性有大的影响。一般颗粒越大，则参与衍射的晶粒数就越少，且产生初级消光效应，使得强度的重现性较差。 z 要求粉体样品的颗粒度大小在0.1 ～10μm范围。对吸收系数大的样品，参加衍射的晶粒数减少，也会使重现性变差。因此在选择参比物质时，尽可能选择结晶完好，晶粒小于5μm，吸收系数小的样品。 z 可采用压片，胶带粘以及石蜡分散的方法进行制样。由于X射线的吸收与其质量密度有关，因此要求样品制备均匀，否则会严重影响定量结果的重现性 （三）纳米材料的结构形貌分析 X射线衍射结构/物相分析： XRD 物相分析是基于多晶样品对X 射线的衍射效应，对样品中各组分的存在形态进行分析。测定结晶情况，晶相，晶体结构及成键状态等等。可以确定各种晶态组分的结构和含量。 为薄膜调制周期
准一维纳米结构的电子显微学研究
电子显微学报980514 电子显微学报 科技期刊 Journal of Chinese Electron Microscopy Society 1998年 第十七卷 第五期（总第79期） 准一维纳米结构的电子显微学研究 白志刚 张洪洲 丁 杭青岭 俞大鹏 冯孙齐 (北京大学电子光学及电子显微镜实验室，北京 100871) (北京大学物理系介观物理国家重点实验室，北京 100871) 自从1991年，Iijima发现纳米碳管［1］以来，一系列准一维纳米材料被相继用不同 方法合成出来。由于其独特的结构特性和因此而具有的不同于体材料的新颖的物理性 质，这些准一维纳米材料有着很大的基础研究价值和潜在的应用价值，因而受到人们 的广泛研究和关注。 最近，我们利用脉冲激光沉积及物理蒸发的方法，合成出了硅纳米线(SiNW)［2， 3］及GeO-2纳米线(GeONW)，并利用X射线衍射、透射电镜(包括EDS)等手段对这些材 料的化学组成、形态、显微结构、缺陷和生长机理等进行了研究。 将Si粉(纯度99%)和Fe粉按重量比95∶5混合，热压成靶，放在一根由高温管式电炉 加热，可抽负压的石英管内，在流动的Ar气氛下(压力2.67×104Pa)，1200℃高温下蒸 发，得到了一种暗黄色海绵状产物，该产物即为硅纳米线。我们发现，用激光蒸发或 简单的物理升华法，都能得到硅纳米线，两种情况下产物的形态、结构完全相同；而 且，这种方法具有很好的可重复性。图1为典型的硅纳米线低倍透射电子显微像。由图 中可见，硅纳米线为表面光滑的准一维结构，且纯度极高(～99%)，直径分布均匀 (15nm±3nm)，长度从几十到几百微米。图1左上角插图为硅纳米线的选区电子衍射(SAED)花样，为典型的多晶硅衍射环，其中前三个环分别对应于｛111｝、｛220｝和 ｛311｝平面族的衍射，相应的晶面间距分别为0.31nm,0^19nm和0.16nm。X射线衍射结 果显示，硅纳米线的全部衍射峰与多晶硅粉末不仅位置完全相同，相对强度也完全一 致。这进一步说明硅纳米线与大块硅结构相同。根据X射线衍射最强峰计算，硅纳米 线的晶格常数较大块硅有些轻微膨胀(～0.4%)。 高分辨透射电镜分析(HREM)给出硅纳米线更多的结构细节。图2为单根硅纳米线 的HREM像。图中可见一维和二维的{111}晶格条纹，对应晶面间距为0.31nm。从图中 可以看出，在硅纳米线的外面有一层厚2—3nm的非晶层，估计来源于因暴露空气而导 致的表面氧化，这层非晶可用稀HF溶液溶掉。对大量硅纳米线的HREM观察结果的统 计表明，硅纳米线的一般生长方向为〈112〉方向。这与传统的VLS(vapor-liquid-solids) 晶体生长模型［5］中硅的〈111〉生长方向有所不同。另外，HREM分析还显示，在硅 纳米线中存在大量的层错、微孪晶和小角晶界等结构缺陷。这些结构缺陷被认为与硅 纳米线的成核、生长及其形貌有密切的关系［4］。以上这些证据使我们认为，硅纳米 线是按一种不同于VLS模型的机制生长；在这种机制中，结构缺陷及原子气团的定向 运动对硅纳米线的一维择优生长起重要作用。 利用同样的物理蒸发的方法，我们还制备出了GeO-2纳米线。靶材料由高纯Ge粉 file:///E|/qk/dzxwxb/980514.htm（第 1／3 页）2010-3-22 18:37:28
三维纳米材料制备技术综述
三维纳米材料制备技术综述 摘要：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，并控制聚集微粒的生长，使其维持在纳米尺寸。本文主要介绍纳米材料分类和性能，同时介绍了一些三维纳米材料的制备方法，如水热法、溶剂热法和微乳液法。 关键词：纳米材料；纳米器件；纳米阵列；水热法；溶剂热法；微乳液法 1.引言 随着信息科学技术的飞速发展，人们对物质世界认识随之也从宏观转移到了微观，也就是说从宏观的块体材料转移到了微观的纳米材料。所谓纳米材料，是材料尺寸在三维空间中，至少有一个维度处于纳米尺度范围的材料。如果按照维度的数量来划分，纳米材料的的种类基本可以分为四类：（1）零维，指在空间中三维都处在纳米尺度，如量子点，尺度在纳米级的颗粒等；（2）—维，指在空间中两个维度处于纳米尺度，还有一个处于宏观尺度的结构，例如纳米棒、纳米线、纳米管等；（3）二维，是指在空间中只有一个维度处于纳米尺度，其它两个维度具有宏观尺度的材料，典型的二维纳米材料具有层状结构，如多层膜结构、一维超晶格结构等；（4）三维，即在空间中三维都属于宏观尺度的纳米材料，如纳米花、纳米球等各种形貌[1]。 当物质进入纳米级别，其在催化、光、电和热力学等方面都出现特异性，这种现象被称为“纳米效应”。纳米材料具有普通材料所不具备的3大效应：（1）小尺寸效应——其光吸收、电磁、化学活性、催化等性质发生很大变化；（2）表面效应——在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性；（3）宏观量子隧道效应，例如纳米微粒表现出令人难以置信的奇特的宏观物理特性，如高强度和高韧性，高热膨胀系数、高比热容和低熔点，异常的导电率和磁化率，极强的吸波性,高扩散性，以及高的物理、化学和生物活性等[2]。 纳米科学发展前期，人们更多关注于一维纳米材料，并研究其基本性能。随着纳米科学快速发展，当今研究热点开始转向以微纳结构和纳米结构器件为方向的对纳米阵列组装体系的研究。以特定尺寸和形貌的一维纳米材料为基本单元，采用物理和化学的方法在两维或三维空间内构筑纳米体系，可得到包括纳米阵
纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法
纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中
纳米材料的表征特性
纳米材料的表征特性 1:表面与界面效应 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(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著增加。对直径大于0.1μm的颗粒的表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1μm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g超微颗粒表面积的总和可高达l00m2，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2×10-3μm)进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体，十面体，二十面体多粒晶等)，它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后才观察不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化且燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄且致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒有望成为新一代的高效催化剂、储气材料或低熔点材料。 2:小尺寸效应 当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或比它们更小时，周期性的边界条件被破坏，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著的变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应。如纳米粒子的熔点可远低于块状固体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，构造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。材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通材料高4—5
一维纳米材料的制备概述
学年论文 ` 题目：一维纳米材料的制备方法概述 学院：化学学院 专业年级：材料化学2011级 学生姓名：龚佩斯学号：20110513457 指导教师：周晴职称：助教
2015年3月26日 成绩 一维纳米材料制备方法概述 --气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料 材料化学专业2011级龚佩斯 指导教师周晴 摘要：一维纳米材料碳纳米棒、碳纳米线等因其独特的用途成为国内外材料科学家的研究热点。然而关于如何制备出高性能的一维纳米材料正是各国科学家所探究的问题。本文概述了一维纳米材料的制备方法：气相法、液相法、模板法等。 关键词：一维纳米材料；制备方法；气相法；液相法；模板法 Abstract: the nanoscale materials such as carbon nanorods and carbon nanowires have become the focus of intensive research owing to their unique applications. but the question that how to make up highqulity one-dimentional nanostructure is discussing by Scientists all around the world. This parper has reviewed the preparation of one dimention nanomaterials ,such as vapor-state method, liqulid -state method ，template method and so on. Key words: one-dimention nanomaterials ; preparatinal method ; vapor-state method liqulid-state method ; template method 纳米材料是基本结构单元在1nm ~100nm之间的材料，按其尺度分类包括零维、一维、二维纳米材料。自80年代以来，零维纳米材料不论在理论上和实践中均取得了很大的进展；二维纳米材料在微型传感器中也早有应用。[1]一维纳米材料因其特殊的结构效应在介观物理、纳米级结构方面具有广阔的应用前景，它的制备研究为器件的微型化提供了材料基础。本文主要概述了近年来文献关于一维纳米材料的制备方法。 1 一维纳米材料的制备方法 近几年来，文献报导了制备一维纳米材料的多种方法，如溶胶-凝胶法、气相-溶液-固相法、声波降解法、溶剂热法、模板法、化学气相沉积法等。然而不同制备方法的纳米晶体生长机制各异。本文按不同生长机制分类概述，主要介绍气相法、液相法、模板法三大类制备方法。 1.1 气相法 在合成一维纳米结构时,气相合成可能是用得最多的方法。气相法中的主要机
纳米材料习题答案
纳米材料习题答案 1、简单论述纳米材料的定义与分类。 答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 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，或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数，纳米材料可分为三大类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。 2、什么是原子团簇谈谈它的分类。 3、通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管如何计算单壁碳纳米管直径 答：利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线，这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。 100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰，单臂纳米管特有的环呼吸振动模式；1609cm-1，这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比，即d = 224/w d：单壁管的直径，nm；w：为特征拉曼峰的波数cm-1
4、论述碳纳米管的生长机理（图）。 答：碳纳米管的生长机理包括V-L-S机理、表面（六元环）生长机理。 （1）V-L-S机理：金属和碳原子形成液滴合金，当碳原子在液滴中达到饱和后开始析出来形成纳米碳管。根据催化剂在反应过程中的位置将其分为顶端生长机理、根部生长机理。 ①顶端生长机理：在碳纳米管顶部，催化剂微粒没有被碳覆盖的的部分，吸附并催化裂解碳氢分子而产生碳原子，碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进入碳纳米管与催化剂接触的开口处，实现碳纳米管的生长，在碳纳米管的生长过程中，催化剂始终在碳纳米管的顶端，随着碳纳米管的生长而迁移； ②根部生长机理：碳原子从碳管的底部扩散进入石墨层网络，挤压而形成碳纳米管，底部生长机理最主要的特征是：碳管一末端与催化剂微粒相连，另一端是不含有金属微粒的封闭端； （2）表面（六元环）生长机理：碳原子直接在催化剂的表面生长形成碳管，不形成合金。 ①表面扩散机理：用苯环坐原料来生长碳纳米管，如果苯环进入催化剂内部，会被分解而产生碳氢化合物和氢气同时副产物的检测结果为只有氢气而没有碳氢化化物。说明苯环没有进入催化剂液滴内部，而只是在催化剂表面脱氢生长，也符合“帽式”生长机理。 5、论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 （1）气相法反应机理包括：V-L-S机理、V-S机理、碳纳米管模板法、金属原位生长。 ①V-L-S机理：反应物在高温下蒸发，在温度降低时与催化剂形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔体液滴在端部不断吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的过饱和而凝固形成纳米线。 ②V-S机理：首先沉底经过处理，在其表面形成许多纳米尺度的凹坑蚀丘，这些凹坑蚀丘为纳米丝提供了成核位置，并且它的尺寸限定了纳米丝的临界成核直径，从而使生长的丝为纳米级。 ③碳纳米管模板法：采用碳纳米管作为模板，在一定温度和气氛下，与氧化物反应，碳纳米管一方面提供碳源，同时消耗自身；另一方面提供了纳米线生长的场所，同时也限制了生成物的生长方向。 ④金属原位生长： （2）溶液法反应机理包括溶液液相固相、选择性吸附。 ①S-L-S机理：SLS 法和 VLS 法很相似，二者的主要差别在于 SLS 法纳米线成长的 液态团簇来源于溶液相，而 VLS 法则来自蒸气相。
碳纳米管作为一维纳米材料
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能……碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料 由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。 碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。 碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。 碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善 ( 氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。 在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。 利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。
纳米材料
《功能金属材料》课程作业 一维氧化锌纳米材料应用与发展前景及课程感悟 班级：0610104 学号：061010418 姓名：刘广通
一、一维ZnO 纳米材料性能 ZnO 纳米材料以形态和尺度划分，包括零维ZnO纳米材料（ZnO 纳米颗粒）、一维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米薄膜）等。按成分划分，包括纯ZnO 纳米材料和掺杂ZnO 纳米材料，如In、Ga、Sn、Mn、Co等各种元素掺杂的n型掺杂纳米材料，P、N、Li等元素掺杂的p型掺杂纳米材料及多元素复合掺杂的掺杂ZnO 纳米材料。 一维ZnO 纳米材料在光学、电输运、光电、压电、力电、场发射、稀磁、光催化、吸波等性能上具有显著特点，在传感、光学、电子、场发射、压电、能源、催化等领域已经显示出良好的应用前景。目前，在一维ZnO 纳米材料研究领域，关注的重点包括一维ZnO 纳米材料的可控及高产率设备、结构与性能调控、纳米器件组装、纳米材料及器件的性能测试与评价、纳米效应及耦合效应、理论计算与模拟、安全服役与损伤等方面。[1] 目前来说，我们都希望电子器件能越小型越好，也就是通过不断缩小器件的尺寸来达到提高速度、减少功耗的目的，这种方法在过去几十年一直被运用而随着我们周围的生活电子产品的不断微型化而发展。所以要利用薄膜生长和光刻技术（电子束光刻、X射线光刻等）制备材料和器件。我们希望纳米线作为基本功能单位来组成电子电路。一维纳米材料的原理器件的研制可以完成这一使命。而ZnO 是一种具有压电和光电特性的半导体材料，它是典型的直接带隙宽禁带半导体，同时它的激子结合能高达60meV。因此ZnO 材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。ZnO有很高的导电、导热性能，化学性质非常稳定，作为短波长发光器件具有高的稳定性和较低的价格，有极大的应用价值。而在一维纳米材料中， ZnO 有三个主要的优点：首先，它既是半导体又有压电效应，这是做电动机械耦合传感器和变频器的基础;其次，ZnO 的生物安全性与相容性相对高，可以用在医学方面；最后，ZnO 的种类最丰富，如纳米线，纳米带，纳米螺旋结构等。因而有一系列的一维ZnO 纳米材料的新器件被不断地开发研制，如室温激光器、发光二极管、传感器、晶体管、场发射器等。 二、一维ZnO 纳米材料的应用及发展前景 一维ZnO纳米材料被用于光学器件。因为ZnO是一种宽禁带半导体，而且在室温下具有很高的激子束缚能，因此ZnO被认为是一种优异的蓝光到紫外波段发射的发光材料。在325nm的He-Cd激光激发下，ZnO纳米材料的室温发光谱中存在两个发射峰，分别是380nm左右的近带边的自由激子复合引起的紫外发射峰[2]和540nm左右的氧空位引起的绿光发射峰[3]。ZnO纳米材料的发光效率远高于块体材料，这主要是因为ZnO纳米线的单晶形态和小尺寸效应。小尺寸效应的影响是由于纳米材料非常微小，其尺寸与光波波长、传到电子的得布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等具有物理特征的尺寸相当或更小时，它的周期性边界将被破坏，使它原本所具有的声，光，电，磁，热力学等特性呈现出“另类”的现象。ZnO纳米的发光机制有以下几种：1)带间跃迁发光。即适当的光照射时，半导体的价带电子发生带间跃迁，也就是电子从价带跃迁到导带，而产生光生电子和空穴。而对纳米材料，器能带将会展宽，改变其性能。2）激子辐射复合发光。纳米结构ZnO有宽的禁带隙、大的比表面积、
纳米材料的表面效应
纳米材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm--100nm）调制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米微粒膜（涂层）；以及三维调制的纳米相材料。 纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的"气体状"固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的"第三态晶体材料"。 正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即表面效应和界面效应、小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应），从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。 （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。 （2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。 （3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。 （4）宏观量子隧道效应
纳米材料表征
纳米粉末粒度分析方法简介 粉末材料粒度测定是一个很复杂的问题，因为粒度的大小本身就是一个很难明确表示的概念。对一个球形的颗粒，我们可以用其直径来表示其大小，对一个立方体，我们可以用其棱长来表示其大小，对一个圆锥体，我们可以用其底面直径和其高两个尺寸来表示其大小，对长方体，就得用其长、宽、高三个尺寸来表示其大小。对一个任意形状的颗粒就很难表征其大小。一般都采用一个与该颗粒具有某种等效效应的颗粒的直径来表示该不规则颗粒的粒径的大小。 目前可以进行纳米粉末粒度测定的方法大致有四种：透射电镜（结合图象分析仪）法，光子相关谱（PCS）（或称动态光散射），比表面积法以及X射线小角散射法（SAXS）等四种。下面对这四种方法的简单原理及其优缺点进行简单的介绍： 1．透射电镜法： 透射电镜是一种直观、可靠的绝对尺度测定方法，对于纳米颗粒，它可以观察其大小、形状，还可以根据像的衬度来估计颗粒的厚度，显微镜结合图像分析法还可以选择地进行观测和统计，分门别类给出粒度分布。如果将颗粒进行包埋、镶嵌和切片减薄制样，还可以对颗粒内部的微观结构作进一步地分析。 当对于所检测的样品清晰成像后，就是一个测量和统计的问题。一种作法是选取足够多的视场进行照相，获得数百乃至数千个颗粒的电镜照片，再将每张照片经扫描进入图象分析仪进行分析统计。按标准刻度计算颗粒的等效投影面积直径，同时统计落在各个粒度区间的颗粒个数。然后计算出以个数为基准的粒度组成、平均粒度、分布方差等，并可输出相应的直方分布图。在应用软件中还包括个数分布向体积分布转换的功能，往往将这两种分布及相关的直方图和统计平均值等都出来。 该方法的优点是直观，而且可以得到颗粒形状信息，缺点是要求颗粒要处于良好的分散状态，另外，由于用显微镜观测时所需试样量非常少，所以对试样的代表性要求严格。因此取样和制样的方法必须规范；而且要对大量的颗粒的粒径进行统计才能得到粒度分布值或平均粒径。 2．光子相关谱法： 该方法是基于分子热运动效应，悬浮于液体中的微细颗粒都在不停地作布朗运动，其无规律运动的速率与湿度和液体的粘度有关，同时也与颗粒本身的大小有关。对于大的颗粒其移动相对较慢，而小的颗粒则移动较快。这种迁移导致颗粒在液体中的扩散，对分散于粘度为η的球形颗粒，彼此之间无交互作用时，它的扩散系数D同粒径x之间的关系满足一关系。而当一束激光通过稀薄的颗粒悬浮液时，被照射的颗粒将会向四周散射光。在某一角度下所测散射光的强度和位相将取决于颗粒在光束中的位置以及颗粒与探测器之间的距离。由于颗粒在液体中不断地作布朗运动，它们的位置随机变动，因而其散射光强度也随时间波动。颗粒越小，扩散运动越强，散射光强度随即涨落的速率也就越快；反之则相反。光子相关谱（PCS）法这正是从测量分析这种散射光强的涨落函数中获得颗粒的动态信息，求出颗粒的平移扩散系数而得到颗粒得粒度信息的，所以又称为动态光散射法。 光子相关谱法粒度分析的范围约3nm～1000nm。测试速度快，对粒度分布集中且颗粒分散好的样品，测量结果重复性好。该方法缺点是要求样品要处于良好的分散状态，否则测出的是团聚体的粒度大小。 3．比表面积法： 粉末的比表面积为单位体积或单位质量粉末颗粒的总表面积，它包括所有颗粒的外表面积以及与外表面积相联通的孔所提供的内表面积。粉末的比表面积同其粒度、粒度分布、颗粒的形状和表面粗糙度等众多因数有关，它是粉末多分散性的综合反映。测定粉末比表面积的方
第一章 一维无机纳米材料的制备方法
【文献综述】 一维无机纳米材料的制备方法 一．气相法制备 ①汽-液-固（VLS）机理生长 方法一（VLS生长法）： 1．以液态金属团簇催化剂作为反应物。 2. 将要制备的一维纳米材料的材料源加热形成蒸汽。 3. 蒸汽扩散到液态金属团簇催化剂表面，形成过饱和团簇后在催化剂表面饱和析出，从而形成一维纳米结构 备注： 液态金属催化剂液滴的尺寸决定了制备出的纳米线的直径。 方法二（激光烧蚀法+VLS生长法）： 1.用含有少量Fe、Au、Ni等金属催化剂的硅粉作为烧蚀靶 2.以氩气作为保护气 3.在陶瓷管中以一定温度下激光蒸发就可获得纳米线 备注： 激光烧蚀法制备出的纳米线直径小于VLS生长法 催化剂的选定：根据相图选定一种能与纳米线材料形成液态合金的金属催化剂 温度的选定：根据相图选定液态合金和固态纳米线材料共存区及制备温度 在纳米线生长头部有一个催化剂纳米颗粒 应用： VLS生长机理可以应用于制备一维无机纳米材料，例如元素半导体，半导体，氧化物等。但不能制备一维金属纳米材料。同时还应继续探索去除金属催化剂的后处理工序。 ②氧化物辅助生长 方法： 1.用SiO2取代金属催化剂制成硅靶， 2.采用激光烧蚀法，热蒸发，化学气相沉积法大规模制备硅纳米线 备注： 1.氧化物在硅纳米线的成核及生长过程中起主导作用 2.不需要金属催化剂，避免了金属污染，保证了硅纳米线的纯度。 应用： 除了硅以外，还可以制备Ge、C、SiC等Ⅳ族元素及化合物半导体，GaN等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体及ZnO和ZnS等Ⅱ-Ⅵ族材料，并可制备包括线、棒、共轴线、链和丝带状在内的一维纳米结构。 ③气-固（VS）生长 方法： 1.将一种或几种反应物在反应容器的高温区加热形成蒸汽 2.利用惰性气体的流动输送到低温区或者通过快速降温使蒸汽沉积下，从而制备出各种纳
第8章电化学方法在制备纳米材料中的应用
第八章电化学方法在制备纳米材料中的应用 人们对于分离超微粒子的研究开始于20世纪60年代。1963年Uyeda等人采用气体冷凝法制备了金属超微粒子，并对超微粒子的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究；20世纪70年代末德克雷斯勒成立了NST (Nano-scale Science and Technology)研究组；1984年在柏林召开的第二届国际超微粒子和等离子体会议，使超微粒子的研究成为世界性热点之一；1989年德国著名科学家Gleiter等首次提出了纳米材料这一概念；1990年7月在美国巴尔的摩召开的第一届国际NST会议标志着这一全新科技—纳米科技的正式诞生;1992年的TMS (Minerals, Metals, Materials)年会上有5个分会场专门讨论纳米粒子的制备、结构和性质，由此可见其重要性。美国材料科学学会预言，纳米材料将是21世纪最有前途的新兴材料之一，是21世纪高新科技的重要组成部分，被科学家们誉为“21世纪最有前途的材料”闭。它的出现将和金属、半导体、荧光材料的出现一样，引起科技领域的重大变革。 纳米粒子是指特征维度尺寸介于1~100 nm范围内的微小粒子，又称作超微粒子。处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统；它的大小介于宏观物质与微观粒子如电子、原子、分子之间，属于亚微观的范畴。由纳米粒子形成的晶体称为纳米晶体，它既不像一般晶体那样具有长程有序，也不像非晶体那样具有短程有序结构，它是一种具有全新“气体状”(gas-like)固体结构的新型材料，粒子内部存在有序一无序结构（order disorder）。从传统热力学观点来看，这是一种亚稳态结构。 纳米材料由两种组元构成：晶体组元和界面组元。晶体组元由晶粒中的原子组成，这些原子都严格位于晶格位置上；界面组元由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。由于纳米粒子的粒径很小，使得粒子中的原子有很大部分处于粒子表面，表现在固体纳米材料中，有相当大比例的原子处于晶体界面上，即界面组元的比例很高，一般纳米晶粒内部的有序原子与纳米晶粒的界面无序原子各占总原子数的50％左右。晶界对纳米材料的结构及物性具有重要作用，由于这些大量处于晶界或晶粒缺陷中心的原子，使纳米粒子产生小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面和界面效应等，引起了纳米材料在许多物理、化学、力学性能上与同组成的微米粒子材料有非常显著的差异，它不仅开拓了人们认识世界的视野，也改变了某些传统观念。例如，纳米陶瓷的出现使得陶瓷在表现刚性的同时也具有了很好的塑性；传统意义上的典型导体（如Ag）纳米化后可以变成绝缘体；同样，部分绝缘体纳米化后也可以变为导体。因此，对超微粒子及其由此压制而成的纳米固体材料结构及性能的研究引起了世人的广泛关注，对纳米粒子的研究也变得十分活跃。 中国古代早就制备出了这种材料，例如古铜镜表面的防锈层即由纳米氧化锡组成，灯灰就是纳米炭黑，只是由于表征手段的原因，当时未能给出纳米材料这一确切的名称。由此可见纳米材料是一个古老而又崭新的研究领域。 而电化学方法制备纳米材料的研究，经历了早期的纳米薄膜、纳米微晶的制备，直至现在的电化学制备纳米金属线、金属氧化物等过程，已有几十年的研究时间。早在1939年，Brenner就在其博士论文中论述了使用两个含不同成分的电解池，交替在两池之间进行电沉积制备纳米叠层膜的研究。但当时所使用的这种方法太烦琐，易造成镀件表面污染，影响沉积层质量。随后在1949年又对其工艺进行了改进，直至1963年，运用电沉积技术制备叠层膜的方法不断改进，Brenner提出了单一电解液中沉积Co-Bi多层膜的设想，由原来的多槽电沉积转变成今天的单槽电沉积，这便是当今电沉积制备纳米金属多层膜的开端。此后的一段时间里，此研究发展较慢。直到20世纪80年代，电沉积叠层膜开始有了
最新纳米材料与纳米结构21个题目+完整答案
1.简单论述纳米材料的定义与分类。 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类. 3.通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 4.论述碳纳米管的生长机理。 5.论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 6.解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。 7.论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。 8.什么是库仑堵塞效应以及观察到的条件？ 9.写出公式讨论半导体纳米颗粒的量子限域效应和介电限域效应对其吸收边，发光峰的影响。 10.纳米材料中的声子限域和压应力如何影响其Raman 光谱。 11.论述制备纳米材料的气相法和湿化学法。 12.什么是纳米结构，并举例说明它们是如何分类的，其中自组装纳米结构形成的条件是什么。 13.简单讨论纳米颗粒的组装方法 14.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 15.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 16.简单讨论纳米材料的磁学性能。 17.简述“尺寸选择沉淀法”制备单分散银纳米颗粒的基本原理 18.简述光子晶体的概念及其结构 19.目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。并说明那些纳米结构应该具有增强物理和化学性 能。 20.简单论述单电子晶体管的原理。 21.简述纳米结构组装的工作原理。 1.简单论述纳米材料的定义与分类。 答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 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，或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数，纳米材料可分为三大类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。
纳米材料参考答案
纳米材料与纳米结构复习题 1.简单论述纳米材料的定义与分类。 答：广义上讲：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度围，或由他们作为基本单元构成的材料。 按维数，纳米材料可分为三类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元又分别具有量子点，量子线和量子阱之称 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类。 答：原子团簇: 指几个至几百个原子的聚集体（粒径一般等于或小于1nm） 例如: C n H m（n与m都是整数）；碳簇（C60、C70和富勒烯等） 原子团簇的分类： a 一元原子团簇：即同一种原子形成的团簇，如金属团簇，非金属团簇，碳簇等。 b二元原子团簇：即有两种原子构成的团簇，例如Zn n P m, Ag n S m等。 c 多元原子团簇：有多种原子构成的团簇，例如V n(C6H6)m等 d原子簇化合物：原子团簇与其它分子以配位键形成的化合物。例如(Ag)n(NH3)m等。3.通过Raman 光谱中如何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 答：利用微束拉曼光谱仪能有效观察到单壁纳米管特有谱线，这是鉴定单壁纳米管非常灵敏的方法。100-400cm-1围出现单壁纳米管特征峰，单壁纳米管特有的呼吸振动模式；1609cm-1是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径d与特征拉曼峰波数成反比，即：d=224/w。式中的d单壁管的直径，nm；w为特征拉曼峰的波数cm-1 4.论述碳纳米管的生长机理。 答：采用化学气相沉积（CVD)在衬底上控制生长多壁碳纳米管。原理：首先，过镀金属(Fe,Co,Ni)催化剂颗粒吸收和分解碳化合物，碳与金属形成碳-金属体；随后，碳原子从过饱和的催化剂颗粒中析出；最后，为了便于碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有较大的表面积的材料承载。 各种生长模型 1、五元环－七元环缺陷沉积生长 2、层－层相互作用生长 3、层流生长 4、顶端生长 5、根部生长 6、喷塑模式生长 7、守善院士：13C同位素标记，多壁碳纳米管的所有层数同时从催化剂中生长出来的，证明了“帽”式生长(yarmulke)的合理性 生长机理 表面扩散生长机理：不是生长一单壁管，然后生长外单壁管；而是在从固熔体相处时，开始就形成多层管
低维纳米材料总结.
低维纳米材料的制备与性能研究 创新实践课 徐成彦 材料科学与工程学院 微系统与微结构制造教育部重点实验室 课时安排 共32学时，授课及讨论20学时，实践教学12学时2-9周 授课：周四、周六，A513 实践课：微纳米中心(科学园B1栋314) 联系方式 办公室：材料楼502房间 电话：86412133 E-mail: cy_xu@https://www.docsj.com/doc/7515151696.html, Homepage: https://www.docsj.com/doc/7515151696.html,/pages/cyxu 一.纳米材料导论 1.纳米：长度计量单位，1nm=10-9 m。 2.纳米结构：通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。 3.纳米技术：在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。 4.团簇：Clusters denotes small, multiatom particles. As a rule of thumb, any particle of somewhere between 3 and 3x107 atoms is considered a cluster. (a few ? ~ a few hundreds ?) 5.量子点：A quantum dot is a portion of matter (e.g., semiconductor) whose excitons are confined in all three spatial dimensions. Consequently, such materials have electronic properties intermediate between those of bulk semiconductors and those of discrete molecules. (typically, 5 ~ 50 nm)
一维纳米材料的制备方法和性质应用
一维纳米材料的制备方法和性质应用 纳米材料（nano materalS是指尺寸处于1-110nm之间的材料，或者更广泛的说至少有一个维度处于纳米尺寸范围的材料。一维纳米材料，指材料的空间尺寸在三维方向上有两维处于纳米尺度范围内，主要形貌包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带等。一维纳米材料具有广阔的潜在应用前景,如高密度存储记忆元件、超微型纳米阵列激光器、新型电子器件带等;制备出的一维纳米材料对基础研究和应用研究具有重要意义；一维纳米材料的制备方法以及其在能量转化、激光器和传感器等方面的应用研究情况。 一维纳米材料的制备方法 目前制备一维纳米材料包括纳米电缆的方法很多，比较有代表性的有：电弧放电法、化学气相沉积法、激光溅射法、模板法。 （ 1 ）电弧放电法 电弧放电法是制备纳米碳管最原始的方法,该方法也用于制备其它一维纳 米材料。在一个充有一定压力的惰性气体反应室中,装有一大一小两根石墨棒, 其中面积大的为阴极，小的为阳极,两极间距为1 mm。EbbesenT W在直流电流为100 A,电压18 V, Ar气压66650 Pa （500 Torr 的条件下进行实验。在放电产物中获得了大量的纳米碳管。 （2）化学气相沉积法化学气相沉积法通常是指反应物经过化学反应和凝结过程,生产特定产物的方法。Yang等将MgO与碳粉作为原材料，放入管式炉中部的石墨舟内，在高纯流动Ar气保护下将混合粉末加热到约1200C ,则生成的MgO蒸气被流动Ar气传输到远离混合粉末的纳米丝生长区，制备了定向排列的MgO纳米丝。Zhang等将经过8h 热压的靶95%Si、5%Fe 置于石英管内,石英管的一端通入Ar