纳米材料和分类.ppt

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1、第一章纳米材料的基本特征第一节第一节纳第一节纳米材料及其分类材第一节纳米材料及其分类料及其分类第一节纳米材料及其分类材目录一、纳米材料的定义二、纳米材料的结构三、纳米材料的分类四、纳米材料的发展历史五、纳米材料的发展趋势一、纳米材料的定义任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元（BuildingBlocks）组成的材料称为纳米材料。纳米材料亦可定义为具有纳米结构的材料。纳米材料可由晶体、准晶、非晶组成。纳米材料的基本单元或组成单元可由原子团簇、纳米微粒、纳米线或纳米膜组成，它既可包

2、括金属材料，也可包括无机非金属材料和高分子材料。近年来，纳米材料的基本单元的尺寸有大幅度降低的趋势。例：Coch主编的《纳米材料》中，基本单元的典型尺寸小于50nm，而Gleiter认为纳米材料基本单元的典型尺寸应在1～10nm之间。二、纳米材料的结构纳米结构（Nanostructure）是一种显微组织结构，其尺寸介于原子、分子与小于0.1μm的显微组织结构之间。纳米结构也是某种形式的材料或物质，本身就是一种纳米材料。原子团簇、纳米微粒、纳米孔洞、纳米线、纳米薄膜均可组成纳米结构。在自然界中，存在着大量的纳

3、米结构。图1-1所示的是蛋白质中的纳米管状结构，其直径为12～15nm，长度为12μm。二、纳米材料的结构图1-2为在磁性细菌中约30nm的磁性粒子组成的纳米线，每个纳米粒子内部为由宽2nm、间距为9nm的纳米线组成纳米结构（图中箭头所示），这种天然的磁性纳米结构用作导航的“指南针”。二、纳米材料的结构应用纳米结构，可将它们组装成各种包覆层和分散层、高表面材料、固体材料和功能纳米器件，如图1-3所示。二、纳米材料的结构当纳米结构由有限数量的原子组成时，可适用于原子尺度的精细工程，这是纳米技术的基础。纳米结构

4、的基本特性，特别是电、磁、光等特性是由量子效应所决定的，使纳米材料的性能具有尺寸效应，从而纳米结构具有许多大于0.1μm的显微组织所不具备的奇异特性。三、纳米材料的分类1、按照维度进行分类：原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料。纳米薄膜为2维纳米材料。纳米块体为3维纳米材料。三、纳米材料的分类0维纳米材料通常又称为量子点，因其尺寸在3个维度上与电子的德布罗意波的波长或电子的平均自由程相当或更小，因而电子或载流子在三个方向上都受到约束，不能自由运动，即电子在3个维度上的能量都已量子化。1维

5、纳米材料称为量子线，电子在两个维度或方向上的运动受约束，仅能在一个方向上自由运动。2维纳米材料称为量子面，电子在一个方向上的运动受约束，能在其余2个方向上自由运动。0维、1维和2维纳米材料又称为低维材料。三、纳米材料的分类对于2维和3维纳米材料，当其组成单元或组元的成分不相同时，即构成纳米复合材料。例：将纳米粒子和纳米线弥散分布到不同成分的3维纳米或非纳米材料中时，即构成0-3，1-3型的纳米复合材料。将0维纳米粒子弥散分布到2维纳米薄膜中时，即构成0-2型纳米复合材料。将两种纳米膜交替复合为2-2维复合纳

6、米材料。此外，还有一类广义的2维纳米材料，即2维的纳米结构仅局限于3维固体材料的表面。例：采用等离子气相沉积（PCVD）、化学气相沉积（CVD）、离子注入、激光表面处理等方法在块体材料表面获得纳米结构，以增加硬度，改善抗腐蚀性能或其他性能等。又如在半导体材料表面采用电子束、X-射线平版印刷等技术实现图案转移（PatternTransfer），在材料表面形成所需要的纳米结构或图案等。三、纳米材料的分类Gleiter对不包括聚合物的2维和3维纳米材料进行了较详细的分类：根据晶体形状的不同，纳米材料可分为3个类别

7、。根据成分的不同，这3个类别可分为4个系列，如图1-4所示。第1系列为同成分的多层膜、杆状晶和等轴晶组成的3个类型的纳米材料。第2系列为不同成分的多层膜、杆状晶和等轴晶组成的纳米材料，其中不同成分的多层膜为超晶格材料，具有人们熟知的量子阱结构。第3系列为不同成分的第二相分布于多层膜间和晶粒间的纳米材料。如Ga偏析在纳米W的等轴晶界，将Al2O3和Ga放在一起球磨，形成纳米尺寸的Al2O3被网状的非晶Ga膜分离的纳米材料均属此系列。第4系列为纳米尺寸的晶体（层状、杆状和等轴晶）弥散分布在不同成分基体中的复合纳

8、米材料。例如纳米尺寸的Ni3Al沉淀粒子分布在Ni基体中的Ni3Al/Ni合金就属此系列，为0-3型复合。四、纳米材料的发展历史在自然界存在大量的天然纳米结构，例如在许多动物中就发现存在约由30nm的磁性粒子组成的用于导航的天然线状或管状纳米结构（图1-2），在花棘石鳖类、座头鲸、候鸟等动物体内都发现了这种纳米磁性粒子。此外，还发现珍珠、贝壳是由无机CaCO3与有机纳米薄膜交替叠加形成的更为复杂的天然纳米结构，因