纳米科学与技术-光学性质

金银纳米颗粒的制备与光学性质研究

2011届毕业设计（论文） 题目： 专业：光电子材料与器件 班级：光电1101 姓名：王麒 指导老师：朱杰君 起讫日期： 2015年 6 月

金银纳米结构的制备与光学性质研究 摘要 现代技术的发展在很大程度上依赖于现有材料的改进及新材料的产生。在纳米材料的研究热潮中，贵金属（尤其是Au和Ag）纳米材料因其独特的光、电、催化等特性受到众多研究领域的广泛关注。研究表明，金属纳米材料的性能与纳米粒子的尺寸和形貌密切相关。 本文主要研究了银纳米线和金纳米片的制备和其光学特性，通过简单的多羟基法成功制备了银纳米线和金纳米片。在反应温度为170℃的条件下，改变PVP与AgNO3的摩尔比R和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的聚合度k，制备出了银纳米线和银纳米颗粒的混合物，研究了其光学性质以及生长机制。在反应初期阶段，Ag离子与PVP链的极性基团的化学吸附可以促进银纳米线的生长。利用多羟基方法制备尺寸可控的金纳米片（厚度为数十纳米，尺寸在微米量级），在温度为180℃的情况下，改变PVP-K30与金离子摩尔比R(R=1，10，20，40)，探讨了金纳米片的最佳生长条件。 关键词：金银纳米结构多羟基过程液相合成生长机制表面等离激元共振

Study on the Synthesis and Optical Properties of Gold and Silver Nanostructures Abstract The evolution of all modern technologies strongly depends on the improvement of existing materials and the development of new materials. In the hot research topic of nanomaterials, noble metal(especially for gold and silver) nanostructures have attracted particular attention because of their unique optical, electrical, catalytic properties. Recent investigations demonstrate that their properties are strongly depended on the size and shape of metal nanoparticles. This paper mainly studies the synthesis and optical properties of silver nanowires and gold nanoplates, which were prepared by a simple poly(vinyl pyrrolidone)-directed polyol synthesis process. Under a synthesis condition of T=170℃, a mixture of Ag nanowires and nanoparticles was obtained by changing the molar ratios of PVP /AgNO3, and the chain length of PVP. The growth mechanism and optical properties of the nanowires were studied. It is proposed that the chemical adsorption of Ag+ on the PVP chains at the initial stage promotes the growth of Ag nanowires. Gold nanoplates(tens of nanometers in thickness and micrometers in size) have been synthesized through a polyol process. Under the condition of T=180℃, the suitable growth conditions for gold nanoplates was studied by changing the molar ratios of PVP/HAuCl4 (R=1,10,20,40). Key words: silver and gold nanostructures; polyol process; growth mechanism; surface plasma resonance(SPR)

纳米科学与技术的发展历史

纳米科学与技术的发展历史 纳米科学与技术(简称纳米科技)是80年代后期发展起来的,面向21 世纪的综合交叉性学科 领域,是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础.它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上到10nm之间)研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用,以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞跃。 历史背景 对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前着名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类能够用最小 的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想包括以下几点: (1)如 何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新 排列原子.他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材料中原子的行为表现不同.在原 子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料 的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器———扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法 制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显 微学会议在美国巴尔的摩举办, 同时《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。自1991 年, 中国开始热衷于纳米技术的研究, 到“十五”计划之后, 纳米科技呈现出快速发展的势头。1993年8月在俄罗斯,1994年11月在美国, 先后召开了第二届和第三届国际纳米科学与技术会议. 第四届国际纳米科技会议将于1996年在中国召开。1999 年上半年,

金纳米棒的制备和应用

金纳米棒的制备及其在生命科学 上的应用 第一章研究背景 金属纳米微粒的研究，尤其是对其形貌可控制备及其相关应用的性质和应用研究一直是材料科学以及相关领域的前沿热点。非球形的金纳米颗粒如棒、线、管及核壳结构相继被成功合成，其各种性质不仅仅依赖于尺寸而且还依赖于拓扑结构，其中金纳米棒（gold nanorods，GNRs）是最受关注的一类。 金纳米棒是一种尺度从几纳米到上百纳米的棒状金纳米颗粒。金是一种贵金属材料，化学性质非常稳定，金纳米颗粒沿袭了其体相材料的这个性质，因此具有相对稳定，却非常丰富的化学物理性质。金纳米棒拥有随长宽比变化，从可见到近红外连续可调的表面等离子体共振波长，极高的表面电场强度增强效应（高至107倍），极大的光学吸收、散射截面，以及从50%到100%连续可调的光热转换效率。由于它独特的光学、光电、光热、光化学、以及分子生物学性质，金纳米棒在材料科学界正受到强烈的关注，并引发众多材料学家、生物化学家、医学家、物理学家、微电子工程师等科研工作者对之进行广泛和深入的研究。 第二章 GNRs的制备及修饰 2.1 GNRs的制备 近年来，对于金纳米棒的合成已经研究出来许多有效的方法。主要分为晶种生长法，模板法，电化学法和光化学法等不同方法制备出分散性好颗粒均匀的金纳米棒。

2.1.1 晶种法 晶种法研究的时间最长，因此研究的最深入。晶种可以是球型金纳米粒子，或者是短的金纳米棒。晶种法合成金纳米棒可以分为三个步骤：晶种的制备、生长液的配置、金纳米棒的生成。 1 种子制备：将5mL 0.50 mM氯金酸（HAuCl4)溶液与5 mL 0.2M 十六烷基溴化铵（CTAB）混合，加入0.6 mL 冰冻的0.01 M 硼 氢化钠（NaBH4）溶液，搅拌 2 min 后 25℃静置2h。 2 生长溶液制备：向反应容器中依次加入5mL 0.20 M CTAB，5 mL 1 mM HAuCl4， 0.5 mL硝酸银（AgNO3）， 0.07 mL 0.10 M 抗坏血酸（AA），搅拌 2 min。 3 GNRs制备：在生长溶液中加入0.012 mL种子溶液,搅拌2min后 28℃，静置3h，得到充分生长的GNRs。 在生长过程中纳米棒的纵横比可以通过改变晶种与金属盐的比例进行控制。在随后的研究中,通过调节溶液的 pH 也可改善纳米棒的合成。对于长的金纳米棒的制备，侧需使生长液中同时存在一定比例的CTAB 与 BDAC。另外通过控制 CTAB 浓度，也能进一步还原并获得高纵横比的金纳米棒。而 Danielle K. Smith等报道应用不同厂家生产的CTAB都会对金纳米棒的制备产生影响。一定范围内Ag+的加入量能控制金纳米棒的纵横比，提高金纳米棒的产率。这种方法设备要求低，制备过程简单，改变反应物浓度就可改变纵横比，使用最广泛。 2.1.2 模板法 模板法是指用孔径为纳米级到微米级的多孔材料作为模板，使前驱体进入后在模板的孔壁上反应，结合电化学沉淀法、溶胶凝胶法和气相沉淀法等技术，形成所需的纳米棒。模板法具有良好的可控制性：通过对模板尺寸的控制，可以制备出粒径分布范围窄、粒径可控、反应易于控制等贵金属纳米颗粒。 Martin等最早利用模板法制备金纳米棒，利用金纳米棒的生长空间受限的原理，来合成金纳米棒。van der Zande等发展了该方法，利用电化学沉积法将金沉积在纳米多孔聚碳酸酯或氧化铝模板内，先喷上少量的导电基底，再电沉积金，随后去除模板，加入PVP以保护和分散金纳米棒，具体的制备流程如图1所示。邵桂妮等利用HAuCl4以柠檬酸三钠为还原剂，利用在多孔氧化铝(AAO)模板中浸泡金溶胶，制备出一维金

纳米材料的概述

“纳米材料”—开启微观世界之门 1.纳米材料及纳米技术 纳米技术界定为：在1nm～100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，通过直接操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要的物质的新技术。 纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)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。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。2.纳米材料的发展 人类对物质的认识分为两个层次：一个是宏观，另一个是微观。人们对宏观物质的研究已经很深人，研究的历史也较悠久。对于微观物质的研究，到20世纪60年代出现了团簇科学，成为凝聚态物理研究的热点。在团簇物理研究中，人们在团簇和亚微米体系之间又发现了一个十分令人注目的新体系，即纳米体系。这个体系通常研究的范畴为1～100nm，其中典型的代表是纳米粒子。由于纳米粒子的尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使其具有不同于常规固体的新特性，而成为材料科学、物理学和化学等学科的前沿焦点。 1959年著名的美国物理学家理查德?费曼（Richard Feynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲，预言说：“我不怀疑，如果我们对物质微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物质得到大量的可能的特性。”虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。1974年，日本教授谷口纪男（Norio Taniguchi）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。 1981年格尔德?宾宁（Gerd Binnig）和海因里希?罗雷尔Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。 1984年Gleiter 首次采用气体冷凝的方法，成功地制备了Fe纳米粉。随后，美国、西德和日本先后研制成纳米级粉体及块体材料。 1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（fullerenes）（更为人熟知的名称是“布基球（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特?富勒（R. Buckminster Fuller）命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使

半导体纳米材料的光学性能及研究进展

?综合评述? 半导体纳米材料的光学性能及研究进展Ξ 关柏鸥　张桂兰　汤国庆 (南开大学现代光学研究所,天津300071) 韩关云 (天津大学电子工程系,300072) 摘要　本文综述了近年来半导体纳米材料光学性能方面的研究进展情况,着重介绍了半导体纳米材料的光吸收、光致发光和三阶非线性光学特性。 关键词　半导体纳米材料;光学性能 The Optica l Properties and Progress of Nanosize Sem iconductor M a ter i a ls Guan B ai ou　Zhang Gu ilan　T ang Guoqing　H an Guanyun (Institute of M odern Op tics,N ankaiU niversity,T ianjin300071) Abstract　T he study of nano size sem iconducto r particles has advanced a new step in the understanding of m atter.T h is paper summ arizes the p rogress of recent study on op tical p roperties of nano size sem icon2 ducto r m aterials,especially emphasizes on the op tical2abso rp ti on,pho to lum inescence,nonlinear op tical p roperties of nano size sem iconducto r m aterials. Key words　nano size sem iconducto r m aterials;op tical p roperties 1　引言 随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。 低维材料一般分为以下三种:(1)二维材料,包括薄膜、量子阱和超晶格等,在某一维度上的尺寸为纳米量级;(2)一维材料,或称量子线,线的粗细为纳米量级;(3)零维材料,或称量子点,是尺寸为纳米量级的超细微粒,又称纳米微粒。随着维数的减小,半导体材料的电子能态发生变化,其光、电、声、磁等方面性能与常规体材料相比有着显著不同。低维材料开辟了材料科学研究的新领域。本文仅就半导体纳米微粒和由纳米微粒构成的纳米固体的光学性能及其研究进展情况做概括介绍。2　半导体纳米微粒中电子的能量状态 当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子、空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。 关于半导体纳米微粒中电子能态的理论工作最早是由AL.L.Efro s和A.L.Efro s开展的[1]。他们采用有效质量近似方法(E M A),根据微粒尺寸R与体材料激子玻尔半径a B之比分为弱受限(Rμa B,a B=a e+ a h,a e,a h分别为电子和空穴的玻尔半径)、中等受限(a h

纳米技术与未来生活

纳米技术与未来生活 “正像七十年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成 为下世纪信息时代的核心。” ——IBM的首席科学家Amotro ●纳米技术的起源与发展 1959年，著名物理学家、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，最后甚至可以根据人类的意愿，逐个排列原子或分子，制造超晶态产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术（Nano-technology）一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明观察纳米结构的重要工具－－扫描隧道显微镜（STM），揭示了一个可直接探测的原子、分子世界，对当时称为“介观物理”（Mesoscopic Physics）的研究和发展产生了积极的促进作用。并且，只有在介观体系中才显得那么重要的表面和界面问题也开始发展成为科学。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 ●纳米与纳米技术 所谓纳米，它仅仅是一个长度单位，一个纳米相当于十亿分之一米，是人类毛发直径的一万分之一，是可见光最短波长的四百分之一。如果做一个纳米的小球，把它放在一个乒乓球上，就好像把乒乓球放在地球上。纳米一个比微观尺度（原子大小为0.1纳米）大，又比宏观尺度（光学显微镜分辨极限的微米尺度）小的世界。这个世界里的研究工作是从基础物理学对这个尺度上的结构（纳米结构——Nano-structure）所表现出的奇异特性开始的。如果考察电子通过纳米圆环所组成电路，它的行为将不遵守欧姆定律，而表现出彼此之间的关联性（AB效应）。在这个尺度上的物质，表面原子或分子占了相当大的比例，已经无法区分它们是长程有序（晶态）、短程有序（液态），还是完全无序（气态）了，而成为物质的一种新的状态——纳米态。并且，人们很早就注意到这种纳米态的性质不主要取决于其体内的原子或分子，而是主要取决于表面或界面上分子排列的状态。由于它们具有量子力学上的强关联性而表现出完全不同于宏观和微观世界的介观性质，这就是纳米材料。 而通常讲的纳米科技就是对待这样一个数量级的微观世界的科学技术。其精髓是从对原子分子的精确控制出发，构建具有全新分子、全新排列形式的人造结构。也就是说，纳米技术希望能够操纵一个一个原子、一个一个分子，并用这种办法来做成一些材料和器件。1959年，加州理工学院的一位教授就提出了这样一种设想：做一种万能制造机，一面放上各样的分子、原子，另一面想出来什么东西，就通过原子的组排，轻松实现。而从原理上讲，利用纳米技术，是有可能的。可见纳米技术的神奇了。 作为纳米技术，本身它并不神秘，实际上从微米技术到纳米技术，应该说啊是科学发展的一个自然的结果。我们现在生活在微米时代。在微米时代，我们用计算机，录像机、电视，都是微米技术的结晶。比如奔腾芯片已经做到了0.17-0.18个微米，相当于几百个纳米。也就是说，从尺度上来讲，微米技术已经逐渐进入到纳米尺度。所以从某种意义上讲，从诶米科技到纳米科技是科学发展的必然结果。 然而，纳米技术不仅仅是微米技术的简单延伸，实际上纳米技术是建立在人们对纳米世

纳米科学与技术

深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订

课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常

压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管

纳米材料的光学特性

纳米材料的光学特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构，纳米材料可分为四类，即：纳米结构晶体或三维纳米结构；二维纳米结构或纤维状纳米结构；一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。

纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。

纳米科学与技术的发展历史

纳米科学与技术的发展历史 物三李妍 1130060110 纳米科学与技术(简称纳米科技)是80年代后期发展起来的,面向21 世纪的综合交叉性 学科领域,是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础.它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上(0.1nm到10nm之间)研究物质(包括原子、分子)的特性和相互 作用,以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞跃。 历史背景 对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前着名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大 空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类 能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想 包括以下几点: (1)如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新排列原子.他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材 料中原子的行为表现不同.在原子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇 百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正 是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪 80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——— 扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔

纳米科学技术概论

纳米科学技术概论 2016年4月27日 纳米科技的作用 纳米科技英文名称是nanotechnology，是指能操作细小到0.1～100nm物件的一类新发展的高技术。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。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。从20世纪纳米科技的兴起，几十年来已 得到飞速发展，进入21世纪更是全球形成了世界性的纳米 科技热潮，纳米科技领域的新发现与新成果层出不穷。于此同时，在生活的的各个方面已出现数不胜数的应用，掀起了信息，材料，能源，环境，医疗，卫生，生物与农业等领域的产业革命，对社会科学技术的发展以及人类生活产生了重要意义。 任何一门学科如果只注重于理论是不会得到很大发展的，而纳米技术所以能得到飞速发展是因为在我们生活中得到了广泛的应用。第一，在纳米电子和计算机技术领域的应用。微电子的发展改变了现代人的生活，计算机的运算速度几乎是每两年翻一番。纳米结构下的微处理器的效率将提高一万倍。未来的方向是把微电子技术和纳米技术有机结合起来。第二，在纳米材料领域的应用。在纳米尺度上控制构成材料的基本单元的结构和成分，再组装成具有独特性质与功能的大结构，这将从根本上改变材料和器件的制造方法；以新原理和新结构在纳米层次上制备特定性质的材料或自 然界中不存在的材料，生物材料和仿生材料，实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。第三，在生物工程技术领域的应用。纳米材料在生物医学材料中占有重要位置，自

影响纳米材料光催化性能的因素

1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值λg与Eg有关，其关系式为：λg=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势，从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低（更正）；而给体电势比半导体价带电势高（更负）。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正，空穴的氧化能力越强，导带底CBB越负，电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好，光生电子或空穴的迁移能力越强，越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂，导带底位置必须比H+/H 2 O的氧化 还原势负，才能产生H 2，价带顶必须比O 2 /H 2 O(+的氧化还原势正，才能产生O 2 ,。 因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置，而且考虑到超电压的存在，半 导体禁带宽度Eg应至少大于。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度，这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说，光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂，分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子，可能生成活性物种·OH，它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应，是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧，它既能够抑制电子与空穴的复合，同时也是氧化剂，可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响，晶体结构（晶系、晶胞参数等）也影响半导体的光催化活性。TiO 2 是目前认为最 好的光催化剂之一。TiO 2 主要有两种晶型—锐钛矿和金红石，两种晶型结构均可 由相互连接的TiO 6 八面体表示，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石，且带间隙（）略大于金红石（），这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律，除了在绝对零度，所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布，实际晶体都是近似的空间点阵式结构，总有一种或几种结构上的缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体时，也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷的存在

金纳米棒综述

1.1引言 水质监测与金纳米棒 纳米材料具有独特的物理化学和光学性质，被誉为“21世纪最有前途的材料”，与生物技术、信息技术共同作为21世纪社会经济发展的三大支柱和战略制高点[1]。其中，自罗马帝国和早期中国采用经验法合成金纳米和银纳米胶体颗粒以来，贵金属纳米颗粒自的光学特性就备受追捧[2-4]。然而，只是在近二十年来，科学家们在真正掌握合成形状可控的各向异性的金属纳米颗粒。金纳米棒由于具有特殊的物理特性，在纳米电子学、光学、生物医药等领域[5]都有广泛应用。本文综述了金纳米棒的合成方法和机理以及其在化学生物传感方面的研究，并对其在离子检测方面进行了一定的研究。 1.2 金纳米棒的合成 成功合成出均一稳定的金纳米棒对其应用至关重要。球形金纳米颗粒的合成可以追溯到一个世纪以前，合成金纳米棒颗粒最普遍的方法是柠檬酸盐还原法。这种方法将一定量的柠檬酸盐加入到沸腾的氯金酸溶液中，通过调节柠檬酸盐和氯金酸的比例可以轻松调节制备的金纳米颗粒的尺寸[6-8]。而金纳米棒的合成方法更加复杂，合成金纳米棒的较为成功有效的方法在过去十年中才实现。比较幸运的是，金纳米棒有趣的是光学特性，吸引了大量的研究人员为之不懈努力。合成不同结构的金纳米棒的方法有多种。第一种是Murphy [9]和El-Sayed[10]等发明的湿化学合成法，然而，所有这些技术制备的只是单晶纳米棒。第二种是在某种模板表面还原金，这种方法制备的为多晶的纳米棒。最后一种方法为在一些有机溶剂中合成不同形态的纳米棒，像超薄纳米棒和纳米线。 1.2.1 晶种生长法 在多种金纳米棒的合成方法中，由于晶种生长法过程操作简单，并且高质量、高产量，纳米棒尺寸控制简单，易于表面改性[11]，所以应用最为广泛。Jana[12]等首次在2001年证明了种子生长法制备金纳米棒。该方法首先通过硼氢化钠在含有柠檬酸钠的环境中还原氯金酸，来制备柠檬酸盐包覆的3~4nm金纳米种子溶液，然后将种子溶液加入到含有氯金酸、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、抗坏血酸和硝酸银的混合溶液中，使种子溶液中的金纳米颗粒生长。通过调节种子溶液的加入量，制备不同长径比的金纳米棒。

纳米技术简介

纳米科技导论 课程小论文 题目:纳米技术简介 学号 班级 教师

摘要：纳米材料作为材料科学中的重要一元，近年来受到科学界的广泛重视。本文将从纳米材料的概况，制备工艺，及其部分应用等方面作出综合评价 关键词：纳米材料制备方法 1、纳米材料概述 纳米是一种长度单位,一纳米相当于十亿分之一米,大约相当于几十个原子的长度.人类对纳米的研究是在高技术领域或继信息技术和生命科学之后的又一个里程碑.正如中国的纳米首席科学家张立德所说: “大多数人竟然一无所知,纳米即将是一次产业革命”.由于物质组成的精细度达到纳米级时,就能表现出一些奇特的物理、化学的性能,从而为新材料的产生创造条件.纳米技术能在原子和分子水平上操纵物质,创造和制备优异性能的材料.因此,纳米技术是一项引领时代潮流的前沿技术,是科技之峰颠. 1982 年,科学家发明了纳米的重要工具——扫描隧道显微镜为我们揭示了一个可见的原子、分子世界,对纳米科技的发展产生了积极的促进作用. 1.1纳米材料分类 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，纳米材料的基本单元可分为三类： 1．零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。 2．一维，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米四、纳米管、纳米棒等。 3．二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。 因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分别有量子点，量子线，量子阱之称。 1.2纳米材料特性 纳米材料是新型材料，由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，它具有常规粗晶材料不具备的特殊性能。 1.2.1 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,导致声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。例如:光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移;磁有序态向磁无序态的转变;超导相向正常相的转变;声子谱发生改变。 1.2.2 表面效应 纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面原子占相当大的比例。随着粒径减小,表面原子数迅速增加。这是由于粒径小,表面积急剧变大所致。由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其它原子结合。例如:金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机的纳米粒空子暴露在空气中会吸附,并与气体进行反应。 1.2.3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以及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轨道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应直接解释了纳米粒子特别的热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量以及超导态的凝聚能等一系列的与宏观特性有着显著不同的特性。 1.2.4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现了一些宏观量,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隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。 宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行

纳米材料在光学方面的应用要点

浅谈纳米材料的应用 【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材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命等方面的主要，并简单展望了纳米材料的应用前景。 【关键词】纳米材料；纳米技术；应用 有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行，美国从2000年启动了国家纳米计划，国际纳米结构材料会议自1992年以来每两年召开一次，与纳米技术有关的国际期刊也很多。 一、纳米材料的特殊性质 纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，它对蠕变，超塑性有显著，并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质，往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。 （一）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，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 （二）磁学性质 当代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。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。 （三）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