纳米材料基本概念、内涵和粒度分析;;介观领域:
在宏观领域和微观领域之间,存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女地”,三维尺寸都很细小,出现了许多奇异的崭新的物理性能。
1959年,著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言:“毫无疑问,当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话,将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。
这个领域包括了从微米(1-100μ m)、亚微米,纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。;
从广义上来说,凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系,包括团簇、纳米体系和亚微米体系。
纳米体系和团簇从这种介观范围独立出来,形成一个单独的领域(狭义的介观领域)。
;一、基本概念;2. 纳米科技(Nano-ST)
(1)纳米技术:20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技,是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学;同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。 ;(2) 纳米科技的主要研究内容
创造和制备优异性能的纳米材料、
制备各种纳米器件和装置、
探测和分析纳米区域的性质和现象。
(基础,目标,前提)
;1993年,国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科
(1)纳米电子学、
(2)纳米物理学、
(3)纳米化学、
(4)纳米生物学、
(5)纳米加工学、
(6)纳米计量学(定位、测长等)。
其中,纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础,而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。;3. 纳米材料(Nanomaterials)
(1)纳米材料的定义:
把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。
即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 ;纳米材料有两层含义:
其一,至少在某一维方向,尺度小于100nm,如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜,或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm,如纳米晶合金中的晶粒;
其二,尺度效应:即当尺度减小到纳米范围,材料某种性质发生神奇的突变,具有不同于常规材料的、优???的特性。
量子尺寸效应;(2) 纳米材料与传统材料的主要差别:
第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。
比如说纳米尺度的颗粒,或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。尺寸
第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等,使材料在物理和化学上表现出奇异现象。
比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。性能;(3)目前该领域的主要研究内容:
A 制备纳米尺寸范围材料的相关技术
液相法:如沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、聚合法、化学镀法。
气相法:如蒸发法、电弧法、化学气相沉积法、微弧氧化法。
B 分析、观察、检测纳米体系物质的相关技术
如AFM,STM,XRD,SEM,TEM,激光粒度仪,比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等),紫外可见光吸收光谱,荧光光谱,热分析,磁性仪等。;C 纳米体系物质的物理性能
如小尺寸效应,隧道效应,表面效应,量子尺寸效应,光、电、热、磁效应等。
D 纳米体系物质的化学性能
纳米金属粒子、半导体粒子等, 如化学活性、催化性能、稳定性、生物活性等。
E 纳米体系物质的应用
如Nano-Pd/Al2O3:CO助燃剂; Nano-TiO2:抗菌,光催化,自清洁;碳纤维:吸波,聚苯胺:化学传感器;V2O5:锂电池正极材料等。;4. 纳米器件
(1) 所谓纳米器件,就是指从纳米尺度上,设计和制造功能器件。
纳米科技的最终目的是以原子分子为起点, 去制造具有特殊功能的产品。
因此, 纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。----微米时代(微米技术);(2) 纳米技术与微电子技术的主要区别是:
纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能,是利用电子的波动性来工作的;
而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能,是利用电子的粒子性来工作的。
人们研究和开发纳米技术的目的,就是要实现对整个微观世界的有效控制。; (3) 制造纳米产品的技术路线可分为两种:
“自上而下” (top down):是指通过微加工或固态技术,不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。 如:切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。
特点:尺寸从大到小
“自下而上” (bottom up) :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,这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。
如化学合成、自组装、定位组装等。;5. 纳米尺度的检测和表征
纳米尺度的检测与表征:在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能。
包括: