无机纳米材料.ppt

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1、无机纳米材料1基本概念2纳米氧化物的制备3纳米复合氧化物的制备4其他无机纳米材料第一章纳米材料的基本概念定义及结构特点：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(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料的单晶体或多晶体，由于晶粒细小，使其晶界上的原子数多于晶粒内部，产生高浓度的晶界，使纳米材料有许多不同于一半粗晶材料的性能，如强度和硬度增大，低密度，高电阻，低热导率纳米材料结构范围（零维-三维）纳米材料的特性表面效应体积效应量子尺寸效应(小尺寸效应）宏观量子隧道效应表面效应固体表面原子和内部原子多处环境不同，当粒子直径比原子直径大时，表面能可以忽略，当粒子直径逐渐接近原子

2、直径时，表面原子的数目及作用不能忽略，这时粒子的比表面积、表面能、表面结合能都发生很大的变化。把由此引起的种种特殊效应称为表面效应。粒子小，比表面积急遽变化增大，表面原子数增多，表面能高，原子配位不足，使得表面原子具有高活性，不稳定，易结合。（书17页，图1.21，1.22）体积效应纳米材料由有限个原子或分子组成，改变了由无数个原子或分子组成的集体属性，物质本身性质也发生了变化，这种由体积改变引起的效应称为体积效应。如：金属纳米微粒与金属块体材料的性质不同。量子尺寸效应（小尺寸效应）粒子尺寸降低到某值时，金属费米能级附近的电子能级由连续变为离散。粒子尺寸的量变，在一定条件下会引起性质的改

3、变。粒子尺寸变小而引起宏观物理性质的改变成为小尺寸效应。例如粗晶下的难以发光的间隙半导体材料Si、Ge等，粒径减小到纳米级时表现出明显的发光现象，粒径越小光强越强.细晶强化效应材料硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，导电性改变。宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。上述效应

4、使得纳米粒子具有与粗晶不同的性质。例如：金属为导体，但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现出绝缘性。又如：金属大多数情况下由于光反射而呈现出各种美丽的特征颜色，但金属纳米粒子的光反射能力显著下降，通常可低于1%，纳米材料的性能力学性能电学性能磁学性能热学性能光学性能化学性能力学性能纳米结构材料力学性质的重要因素：晶界结构、晶界滑移、位错运动。纳米材料晶界原子间隙的增加，使其杨氏模量减小，硬度提高。(杨氏模量(Young'smodulus)是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量,在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量)晶粒减小到纳米级，材料的强度和硬度比

5、粗晶材料提高4-5倍。（Cu样品硬度）电学性能晶界上原子体积分数增加，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料。（书24页，表）纳米材料在磁场中材料电阻减小的现象十分明显。磁场中粗晶电阻仅下降1%-2%,纳米材料可达50%-80%，这个性质很重要。磁学性质纳米粒子尺寸小到一定临界值时，进入超顺磁状态。从单畴颗粒集合体看，不同颗粒的磁矩取向每时每刻都在变换方向，这种磁性的特点和正常顺磁性的情况很相似，但是也不尽相同。因为在正常顺磁体中，每个原子或离子的磁矩只有几个玻尔磁子，但是对于直径5nm的特定球形颗粒集合体而言，每个颗粒可能包含了5000个以上的原子，颗粒的总磁矩有可能大于10000个玻尔磁子。

6、所以把单畴颗粒集合体的这种磁性称为超顺磁性纳米材料随着晶粒尺寸的减小，样品的磁有序状态将发生改变。粗晶状态下为铁磁性的的材料，当颗粒尺寸小于某一临界值时，矫顽力趋向于0，转变为超顺磁状态。这是由于纳米材料中晶粒取向是无规则的，因此，各个晶粒的磁距也是混乱排列的，当小晶粒的磁各向异性能减小到与热运动能基本相等时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向而作无规律变化，结果导致超顺磁性的出现。磁学性质磁热性质在非磁或弱磁基体中包含很小的磁微粒。当其处于磁场中，微粒的磁旋方向与磁场相匹配，增加了磁有序性，降低了系统的熵，若过程绝热，样品温度将升高。热学性质纳米材料中，界面原子排列混乱，原子密度低，原

7、子间耦合较弱，导致纳米材料的比热比粗晶大。纳米微粒的熔点、烧结温度、晶化温度比常规粉体低得多。（纳米材料的表面性质决定）光学性质宽频带强吸收（纳米微粒几乎都呈现黑色）蓝移：量子尺寸效应表面效应红移：比表面大，界面存在大量缺陷化学性质化学活性高纳米材料比表面积大，界面原子数多，界面原子区域原子扩散系数高，原子配位不饱和性，使得纳米材料具有较高的化学活性，例如CuEr的合成，催化剂催化效率提高、化学反应性提高等第二章纳米氧化物的制备气相