纳米材料与纳米技术 课件全套 第1--7章 纳米材料的结构单元---先进纳米加工技术.pptx

第一章 纳米材料的结构单元 Page 2纳米材料的结构单元本章内容1.1 纳米材料的定义与分类1.2 纳米材料的基本结构单元1.2.3 二维纳米结构1.2.2 一维纳米结构1.2.1 零维单元 1.1 纳米材料的定义与分类 Page 3纳米(nm)：十亿分之一米，10个氢原子依次排列的长度。 Page 41.1 纳米材料的定义与分类蛋白石及其纳米微观结构改写现实的魔法——原子与分子的操控搬迁碳原子通过扫描隧道显微镜操纵原子 1.1 纳米材料的定义与分类 Page 5纳米材料：三维空间中至少一维处于纳米尺寸（0.1-100 nm）或由其作为基本单元构成的材料。最新定义(欧盟委员会)：由基本颗粒构成的粉状或团块状的天然或人工材料，这一基本颗粒至少有一维的尺寸在1 nm到100 nm之间，且该基本颗粒总数超过材料全体颗粒总数的50% 。“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”钱学森特点：组成单元尺寸较小，界面占有率高，迥异于宏观材料的纳米特性 Page 6纳米材料与大块材料 Page 71.1 纳米材料的定义与分类蛋白石及其纳米微观结构天然纳米材料：蛋白石、陨石碎屑、植物叶面、贝壳等 Page 81.1 纳米材料的定义与分类蛋白石及其纳米微观结构人工纳米材料：石墨烯、纳米陶瓷、银纳米线、金纳米颗粒等中国“文房四宝”之一的徽墨的墨粒子实际就是纳米颗粒；古代铜镜的防锈层也是由SnO纳米粒子所组成的薄膜。 Page 91.1 纳米材料的定义与分类纳米材料的分类（1）按形态结构，可以分成纳米颗粒（零维）、纳米纤维（一维）、纳米膜（二维）、纳米块体（三维）等。 Page 101.1 纳米材料的定义与分类不同维度的典型纳米材料 Page 11（2）按化学组份，可以分成纳米陶瓷、碳纳米材料、纳米金属材料、纳米玻璃材料、纳米晶体材料、纳米复合物等。（3）按材料物性，可以分成纳米光电材料、纳米热电材料、纳米磁性材料、纳米半导体、纳米超导材料等。（4）按应用领域，可以分成纳米储能材料、纳米催化材料、纳米电子材料、纳米器件材料、纳米敏感材料、纳米生物材料等。（5）按材料有序程度，可以分成结晶纳米材料和非晶纳米材料。纳米材料可以是单晶或多晶，也可以是准晶或非晶相（玻璃态）；纳米材料可以是金属、陶瓷、碳化物、氧化物或复合材料等。1.1 纳米材料的定义与分类纳米材料的分类 Page 121.1 纳米材料的定义与分类 三大纳米效应：表面效应、小尺寸效应、量子效应材料基本法则：材料结构决定材料性质！纳米材料的新特性：纳米结构的纳米效应并不取决于其尺寸是否达到纳米级，而是取决于宏观体系的物理学在什么尺寸下不再适用。例如，电子隧穿的特征长度为1~10 nm，事实上电子隧穿只在1 nm的尺寸下才能有效发生。即使电极间距减小至几十纳米，发生电子隧穿的单电子学现象也是不可能的。?量子尺寸效应(Kubo 理论) Page 131.2 纳米材料的基本结构单元—零维单元1.2.1 零维单元零维纳米单元主要包括团簇、纳米粒子、人造原子。典型团簇结构 Page 141.2 纳米材料的基本结构单元—零维单元团簇(cluster)：由有限数目的原子或分子（基元）通过相同大小的金属键、共价键、离子键、氢键或范德华键相结合所构成的集团。团簇：各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡态原子或分子的数量：几个至上亿个空间尺度：几埃（?，1 ? = 0.1 nm）至几纳米，团簇尺寸大于典型无机分子却仍远小于宏观微粒或块体物质。存在形式：气相团簇（研究团簇基本结构和性质的理想系统） 支撑团簇（附着在衬底表面） 胶体团簇（悬浮于液体中） 嵌埋团簇（嵌埋于固体介质中） Page 151.2 纳米材料的基本结构单元—零维单元团簇分类：根据所包含原子数的数目，团簇可分为微簇、小团簇、大团簇、小粒子或纳米晶。（1）微簇（microclusters）：原子数从3个到13个。几乎全部原子处于粒子表面。与常规的无机小分子具有相似的结构和性质。（2）小团簇（small clusters）：原子数10~13个以上至100个。显著特点是对于一个给定尺寸，团簇存在大量具有相近能量的异构体结构。其可能具有的异构体结构的数目随原子数按指数增长。（3）大团簇（large clusters）：原子数在100到数千之间。其结构已开始趋于稳定，性质逐渐向大块固体过渡。（4）小粒子或纳米晶（small particles，nanocrystal）：包含1000个以上的原子，大块固体的一些特性在该尺寸范围反映。 Page 161.2 纳米材料的基本结构单元—零