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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第四篇 納米材料及其應(yīng)用,第四篇 納米材料及其應(yīng)用,納,米,材料科學(xué)對(duì)介于團(tuán)簇和亞微米級(jí)體系之間1100,nm,微小體系的制備及其特性的研究的一個(gè)分支學(xué)科。,1990年7月在美國巴爾基摩召開的國際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議上，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個(gè)分支公布于世。納米材料科學(xué)的誕生標(biāo)志著材料科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的層次。,第四篇 納米材料及其應(yīng)用,一、納米微細(xì)材料的工藝方法,二、納米材料的量子效應(yīng),三、納米材料的熱學(xué)特性,四、納米材料的磁學(xué)特性,五、納米材料的光學(xué)特性,六、納米微粒的分析和測(cè)量,七

2、、納米材料的應(yīng)用,一、納米微細(xì)材料制造的工藝方法,1、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法 （,LICVD）,基本原理利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)激光束的吸收，引起反應(yīng)氣體分子激光光解、激光熱解、激光光敏化和激光誘導(dǎo)合成，在一定工藝條件下，獲得納米微粒。,優(yōu)點(diǎn)表面清潔、納米微粒大小可精確控制、無粘結(jié)、粒度分布均勻。,2、,低溫等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法,（,PECVD）,基礎(chǔ)化學(xué)氣相沉積法,原理由于等離子體是不等溫系統(tǒng)，其中“電子氣”具有比中性粒子和正離子大得多的平均能量；電子的能量足以使氣體分子的化學(xué)鍵斷裂，并導(dǎo)致化學(xué)活性高的粒子（離子、活化分子等基團(tuán)）的產(chǎn)生。即，反應(yīng)氣體的化學(xué)鍵在低溫下就可以被分解，從而

3、實(shí)現(xiàn)高溫材料的低溫合成。,1、微波源,2、,真空系統(tǒng),3、勵(lì)磁系統(tǒng),4、配氣系統(tǒng),5、反應(yīng)室,6、基片加熱,系統(tǒng),低溫等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉淀技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：,運(yùn)行氣壓低。,等離子體密度高。,無內(nèi)電極放電，雜質(zhì)少，污染小。,微波能量轉(zhuǎn)換率高，達(dá)95%。,離子能量低。,可穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，參數(shù)易于控制。,速率高、納米材料純度高。,提高了反應(yīng)物的活性。,有良好的各向異性刻蝕性能。,3、液相法制備納米材料,化學(xué)共沉淀是利用各種組分元素的可溶性鹽類，把它們按一定的比例配制成液體，然后加入沉降劑，如 、,等，使得各種組分元素共同形成沉淀，并通過控制溶液濃度、,PH,值等來控制形成沉淀粉體的性能。最后經(jīng)過過濾、洗滌，

4、對(duì)沉淀物進(jìn)行加熱分解，得到各種組分元素的氧化物均勻復(fù)合粉體。氧化鋅納米粉體的制備過程如圖所示。,二、納米材料的量子效應(yīng),1、量子尺寸效應(yīng),以下兩種情形均稱為量子尺寸效應(yīng)：,一是納米粒子尺寸小到某一值時(shí)，在費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象；,二是納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能級(jí)間隔變寬現(xiàn)象。,當(dāng)能級(jí)間隔大于熱能、磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，就必須要考慮量子尺寸效應(yīng)。,量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致納米微粒的磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著的不同。,例如，當(dāng)溫度為1,K,時(shí)，,Ag,納米微粒粒徑,14,nm,時(shí)，,Ag,納米

5、微粒變?yōu)榻饘俳^緣體。,2、小尺寸效應(yīng),當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。,例如，光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變等。,三、納米材料的熱學(xué)特性,納米,微粒的熔,點(diǎn)、燒結(jié)溫度,和晶化溫度均,比常規(guī)粉體低,得多。這是納,米微粒量子效,應(yīng)造成的。,四、納米材料的磁學(xué)特性,納,米,微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)，使其具有常規(guī)粗

6、晶材料不具備的磁特性。,主要表現(xiàn)為：超順磁性、矯頑力、居里溫度和磁化率。,超順磁狀態(tài)的起因：,由于小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到與熱運(yùn)動(dòng)能可相比時(shí)，磁化方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。,例如，粒徑為,85,nm,的納米鎳,Ni,微粒，矯頑力很高，而當(dāng)粒徑小于15,nm,時(shí)，其矯頑力,Hc,0，,即進(jìn)入了超順磁狀態(tài)。,五、納米材料的光學(xué)特性,1、寬頻帶強(qiáng)吸收,當(dāng)尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色，它們對(duì)可見光的反射率極低。這就是納米材料的強(qiáng)吸收率、低反射率。,例如，鉑金納米粒子的反射率為1%。,納米氮化硅、碳化硅及三氧化二鋁對(duì)紅外有一

7、個(gè)寬頻帶強(qiáng)吸收譜。,2、納米微粒分散物系的光學(xué)性質(zhì)和發(fā)光效應(yīng),納米微粒分散于介質(zhì)中形成分散物系（溶膠），納米微粒稱為膠體（或分散相）。,由于在溶膠中膠體的高分散性和不均勻性，使得分散物系具有特殊的光學(xué)特性，例如丁達(dá)爾效應(yīng)。,丁達(dá)爾效應(yīng)如果讓一束聚集的光線通過分散物系，在入射光的垂直方向上可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體。,另外，當(dāng)納米微粒的尺寸小到一定值時(shí)，可在一定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)光。這是載流子的量子限域效應(yīng)引起的。,六、納米材料的應(yīng)用,由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，使得它在磁、光、電、敏感等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性，因此納米微粒在磁性材料、傳感、醫(yī)學(xué)、傳感、軍事

8、等方面有廣泛的應(yīng)用。,1、磁性材料,2、光學(xué)應(yīng)用,3、生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,4、傳感材料,5、軍事上的應(yīng)用,1、磁性材料,磁流體是磁性材料應(yīng)用的一個(gè)典型。,磁流體是使強(qiáng)磁性超微粒子外包裹一層長(zhǎng)鏈的表面活性劑，穩(wěn)定地分散在基液中形成的膠體。,磁流體的特性具有固體的強(qiáng)磁性和液體的流動(dòng)性。,磁流體的應(yīng)用：磁密封、磁液揚(yáng)聲器、,磁記錄等,此外，還可作為光快門、光調(diào)節(jié)器、激光磁愛滋病毒檢測(cè)儀等儀器儀表材料；抗瘤藥物磁性載體、細(xì)胞磁分離介質(zhì)、復(fù)印機(jī)墨粉、磁性墨水等材料。,2、光學(xué)應(yīng)用,納米策粒的小尺寸效應(yīng)使其具有與常規(guī)大塊材料不同的光學(xué)特性。如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等都與納米微粒

9、的尺寸的很大的依賴關(guān)系。,光學(xué)纖維,光纖在現(xiàn)代通信和光傳輸上占據(jù)極為重要的地位。而納米微粒作為光纖的材料可以降低光導(dǎo)纖維的傳輸損耗。關(guān)鍵是要經(jīng)過熱處理，經(jīng)過熱處理的光纖比未經(jīng)過熱處理的光纖性能好得多。,2、光學(xué)應(yīng)用,紫外吸收材料,納米微粒的量子尺寸效應(yīng)使它對(duì)某種波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象；納米微粒粉體對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。利用這兩種特性，人們制成納米紫外吸收材料。,3、生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,納米微粒的尺寸一般比生物體的細(xì)胞、紅血球小得多，這就為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用提供了途徑。,生物應(yīng)用，主要在生物細(xì)胞分離、細(xì)胞內(nèi)部染色體等方面。生物細(xì)胞分離的目的，是快速獲取研究所需的細(xì)胞標(biāo)本。,醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，大體上說，是將磁性納米粒子作為藥物的載體，靜脈注射到動(dòng)物體內(nèi)，在外加磁場(chǎng)的作用下，通過納米微粒的磁性導(dǎo)向，使其移向病變部位，達(dá)到定向治療的目的。,4、傳感器材料,傳感器主要材料是金屬。一般超微粒金屬是黑色，它具有吸收紅外線的特點(diǎn)，且表面積大、表面活性高，對(duì)周圍環(huán)境變化十分敏感。,氣體傳感器,利用金屬氧化物隨周圍環(huán)境中氣體的改變，電學(xué)性能（如電阻）發(fā)生變化，反過來對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)和定量測(cè)定。它可用作可燃性氣體泄漏報(bào)警器和濕度傳感器。,紅外線傳感器,由金超微粒子沉積在基板上形成的膜可用作紅外線傳感器，制成輻射熱測(cè)量器。,5、軍事上的應(yīng)用,納米隱身涂料,納米機(jī)器人“納米微型軍”,