一维硅纳米材料的制备和表征

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1、第一章文献综述1．1引言纳米科学技术是20世纪80年代末期诞生并『F高速崛起的新科技，是研究由尺寸在O．1—100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科学所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，从而开辟人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代，即纳米科技时代。以纳米科技为中一tl,的新科技革命必将成为2l世纪的主导。纳米科技主要包括以下七个部分：(1)纳米体系物理学；(2)纳米化学：(3)纳米材料学；(

2、4)纳米电子学；(5)纳米生物学；(6)纳米加工学；(7)纳米力学；这七个部分相对独立又互相联系，在任何领域的突破都将带动相关领域的发展。其中，纳米材料学是纳米领域最富有活力和研究内涵极其丰富的一个学科分支。广义地，纳米材料是指在三维空间中至少由一维处于纳米尺度范围或由他们作为基本单元构成的材料。按维数，纳米材料的基本单元可以分为i类：(1)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；(2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带、纳米链球等；(3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，超

3、晶格等。因为这些单元往往具有量子效应，所以对零维、一维、二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。实际研究当中还有一些材料比如象介孔材料、多孔材料、以及具有特殊结构的材料，它们整体在三维方向都超过了纳米范围，但由于它们都是有纳米材料构成，并且具有纳米材料的性质，因此由纳米材料组成的块体材料也属于纳米材料的范围。纳米材料科学的研究主要包括以下两部分：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论，发展完善纳米材料科学体系；二是发展新型的纳米材料。纳米尺

4、寸的合成为发展新材料提供了新途径，这就大大丰富了纳米材料制备科学。目前世界上的材料有近百万种，而自然的材料仪占1／20，这浙江大学瑚士学位论文余军就是说人工材料在材料科学的发展和人类社会的生产生活中占有重要的地位。纳米尺度的合成为人们设计新型材料，特别是人类按照自己的意志设计和探索所需要的新型材料打开了新的大门。例如，在传统相图理论上根本不相溶的两种元素在纳米态下可以合成在一起制备出新型的材料，铁铝台金、银铁和铜铁合金等纳米材料已在实验室获得成功。人们可以把过去难以实现的有序相和无序相、晶体和金属玻璃、铁磁相和反铁磁相、铁电相和顺电相合成在

5、一起，制备成有特殊性能的新型材料。还有诸如纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高10倍；纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破等等。纳米材料表现出的这些激动人心的优异性能激励着全世界的研究人员为之奋斗不已，掀起了纳米材料制备和研究的热潮。著名科学家钱学森1991年预言“我认为纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将是2l世纪又一次产业革命”。今天纳米材料科学的飞快进展正在把这个预言

6、变成现实。人们已经能够制备出包含几十个到几万个原子的纳米粒子，并把他们作为基本构造单元，适当排列形成零维的量子点、一维的量子线、二维的量子薄膜和三维的纳米固体，创造出相同物质的传统材料所具备的奇特性能。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证，并又可能从根本上解决人类面临的一系列问题，如粮食、健康和环境保护等重大问题。1．2纳米材料的特性由于材料尺度的减小，达到纳米范围以后，会表现出许多块体材料一i具有的

7、特殊物理效应，主要包括量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、库仑阻塞效应、小尺寸效应、表面效应等。1．2．1量子尺寸效应所谓量子尺寸效应是指当纳米材料的尺寸下降到一定程度时，其费米能级附浙江大学硕士学位论文余军就是说人工材料在材料科学的发展和人类礼会的生产生活中占有重要的地位。纳米尺度的合成为人们设计新型材料，特别是人类按照自己的意志设计和探索所需要的新型材料打开了新的火门。例如，在传统相图理论上根本不相溶的两种元素在纳米态下可以合成在一起制备出新犁的材料，铁铝合金、银铁和铜铁台金等纳米材料已在丈验室获得成功。人们可以把过去难以实现的有序相和无序

8、相、晶体和金属玻璃、铁磁相和反铁磁相、铁电相和顺电相合成在起，制备成有特殊性能的新型材料。还有诸如纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳水材判中的扩散速度比在普通材料中快几千