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纳米材料设计及电荷极化调控

材料创新是人类文明进步的重要动力,也是新兴产业发展的基础。近年来不断涌现出来的新型纳米材料表现出很多卓越性质,如高比表面积、多尺度的尺寸效应、界面效应、表面效应和量子限域效应等等,因而被广泛应用于能源、环境和半导体工业等重大领域中。

然而,纳米材料结构的复杂性为实验和表征带来了困难,很多复杂过程都难以被实验捕捉,这限制了对构效关系及工作机理的理解,制约着新型纳米材料的理性设计。随着近年来高性能计算的飞速发展和计算理论的不断完善,第一性原理理论计算从原子尺度和电子结构层次为材料解析提供了有力工具。

它能够帮助人们更好地进行理性设计并检验设计的可行性,且具有研发周期短、成本低廉、环境友好等优势。因此,理论计算结合实验表征已经成为新材料设计和研发的新潮流。

调控纳米材料的成分、尺寸和表界面形貌等都能有效调控材料的性质;此外,基于对构效关系的理解,理性设计材料复合也能达到协同增效的目的。这些设计思路,归根结底都是基于对电子的控制,以电子态为载体,通过电子激发、转移形成电荷极化,从而驱动相应的物理和化学过程。

本文基于第一性原理理论计算研究了一系列复杂体系的电子态结构和布居行为,从电荷极化形成与演变的角度阐述了复杂体系中的构效关系和协同机理(第三到五章)。此外,我们还探索性地提出了偶极矩可以作为复杂体系中电荷极化的描述子,用来研究电荷极化对材料表面化学反应的影响(第六章)。

本文共六章,各章简介如下:首章中,基于后面工作所涉及的领域及希望解决的问题,我们主要介绍了两方面的背景知识和研究现状。首先是纳米材料导电性

调控,我们分别以钒的氧化物家族和石墨烯为例,介绍了强关联体系和二维材料导电性调控的研究进展。

在钒的氧化物家族中,几何结构在导电性调控中扮演着重要角色,使得通过精确控制几何结构来调控电子结构成为可能。石墨烯可控带隙一直以来都是其在半导体领域应用的难点,尽管研究取得了很多进展,但在原子尺度下的精确调控还存在很多挑战。

此外,如何在调控带隙的同时保持石墨烯的固有优势如高载流子迁移率、高机械强度等,也是当前面临的一大难题。随后,我们对光催化领域的研究背景、主要过程和机理、材料筛选和复合进行了简要介绍。

传统的半导体材料存在许多不足,通过理性设计半导体-金属或半导体-半导体复合能打破单一材料的局限性,达到协同增效的目的。因此纳米复合材料逐渐受到越来越多的重视,成为当前光催化领域研究的焦点。

第二章中我们简单介绍了第一性原理密度泛函的发展历史,理论框架,常用近似和主流量化计算软件包。密度泛函理论(DFT)从量子力学出发,以体系的电子密度为基本研究量,通过Kohn-Sham方程将相互作用的多粒子体系问题转化为无相互作用的单粒子体系问题,并利用交换关联泛函进行近似来求解体系的基态电荷密度,进而得到包括体系基态能量在内的所有基本性质。

实际计算中,我们根据具体研究体系的特性和研究目的选择合适的交换关联泛函和量化计算软件包进行计算模拟。接着,我们针对材料内部、界面和表面的电荷极化效应及其对纳米材料性能的影响,对一系列复杂体系展开了研究,分别在第三、四和五章中作了详细阐述。

第三章介绍了通过掺杂和缺陷调控材料内电荷极化的两个例子:(1)氧空位

缺陷引入能够实现VO2室温下的金属绝缘体转变(MIT),但由于过程中几何和电子结构改变总是耦合在一起难以区分,导致其机理并不清晰。为了区分几何和电子结构改变对MIT单独的贡献,我们做了计算研究。

研究发现氧空位缺陷诱导产生3d轨道极化电子从而引起电子结构改变,而几何结构改变使得导带底的态被这些极化电子占据。这些占据导带的极化电子在空间中离域分布,给VO2带来了金属性。

此外,我们还揭示了极化电荷数与缺陷浓度的线性正比关系,为缺陷工程调控VO2的MIT行为和导电性指明了方向。(2)电催化析氢反应(HER)是清洁能源领域中的重要反应,迄今为止贵金属Pt仍然是HER中最高效的材料。

为降低Pt的用量同时提高电催化效率,我们提出了过渡金属Fe和Co双金属掺杂并构筑独特的三叉星纳米结构的理性设计。本工作从实验和理论的层面系统阐释了化学成分组成、电子结构和表面形貌三位一体的协同调控机制。

通过调节Fe和Co的相对含量能有效调节Pt的d带中心到最佳位置,从而达到最优活性;此外,通过合成独特的三叉星纳米结构,我们获得了更多的活性位点并降低了与电极的接触电阻,从而使HER活性得到进一步增强。本工作提出的设计思路为低成本、高性能合金材料的理性设计与构建开辟了新的途径。

第四章中,我们针对光催化领域面临的主要问题,如光生电子-空穴对的分离和输运问题进行了理性设计。通过对两种半导体-金属复合光催化材料的研究,探讨了界面效应和极化电荷对光催化主要过程的促进作用。

分别简介如下:(1)本工作中我们提出了一种新型Ag-CuO/Cu2O复合纳米材料,通过界面极化和材料内电子输运成功将极化电荷聚集在CuO (100)表面,显著提高了该晶面上CO氧化的效率。本工作为通过表界面工程设计高效、经济的半

导体-金属复合催化剂开启了新思路。

(2)利用复合材料两相功函数之差,我们设计了 g-C3N4分别与Pd{100}和{111}晶面复合。实验和计算均证明C3N4纳米片独特的共轭结构保证了半导体与金属不同晶面都能形成无差别的界面极化。

这为考察晶面对气体分子的催化选择性提供了方法。我们发现CO2还原更容易在Pd {111}晶面发生而H2O还原产H2更容易在Pd{100}晶面发生。

本工作提供了一种可靠的结构设计来研究光催化反应中的晶面选择性,为设计高选择性光催化剂打开了大门。第五章中我们介绍了通过调控材料表面电荷极化来改善反应活性的两个例子。

分别介绍如下:(1)由于石墨烯的单原子层结构特性,金属与石墨烯界面间形成的极化电荷很容易迁移到石墨烯表面从而形成表面极化,并与金属本身协同作用,促进H原子的吸附。更重要的是,计算证明通过调控金属团簇的花纹,能够在原子尺度下精确调控石墨烯不同位点对H的吸附能力,从而调控H在石墨烯上吸附形成的花纹。

这加深了我们对表界面极化电荷产生和作用机制的认知,拓展了我们在原子尺度下调控材料结构的能力,也推动了石墨烯基材料在半导体工业界中的发展。(2)材料与被吸附分子、团簇之间的电荷转移是表面催化反应的一个关键过程,

这里,我们提出了将均相催化剂Cp*Cr(CH2SiMe3)2嫁接到无定形Si02衬底的设计,并阐述了材料表面与催化剂间电荷极化对催化剂活性和热稳定性的增强机理。

研究表明嫁接到SiO2表面后,空穴能够注入到催化剂Cr中心,从而增强Cr

对乙烯的相互作用,降低反应能垒,提高活性;同时,空穴的注入也增强了 Cr-C

键能,从而提高催化剂裂解所需的能垒,提高热稳定性。这些发现有助于加深人们

对电荷极化改善催化剂性能的理解,对新型高活性和稳定性催化剂的设计有推动作用。

第六章中,我们将偶极矩作为电荷极化的描述子,探索了材料表面与被吸附分子间偶极矩夹角及点乘值与吸附能、反应势垒的关系。研究表明,化学吸附结构倾向于分子与表面偶极矩夹角最小的吸附构型,吸附能由偶极矩夹角和大小共同决定。

同时,研究还揭示了偶极矩夹角及点乘值与共催化CO氧化反应势垒的线性反比关系,表明材料与分子间偶极矩夹角越小,相互作用越强,电荷交换与能量传递更容易发生,因此反应活性更好。当然,本工作中有限的几个体系无法证明规律的普适性,在今后的工作中我们将从偶极矩的角度出发对更多体系展开研究,以期发现更多不为人知的规律,推动纳米材料设计的发展。

纳米材料的制备方法

1化学气相沉积法 1.1化学气相沉积法的原理化学气相沉积法(Chemical Vapour Deposition (CVD) )是通过气相或者在基板表面上的化学反应，在基板上形成薄膜。化学气相沉积方法实际上是化学反应方法，因此。用CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜，也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料，而且即使是高熔点物质也可以在很低的温度下制备。用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料、包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。采用各种反应形式，选择适当的制备条件——基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜构料。化学气相沉积的化学反应形式．主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。化学气相沉积法制备纳米碳材料的原理是碳氢化合物在较低温度下与金属纳米颗粒接触时通过其催化作用而直接生成。化学气相沉积法制备碳纳米管的工艺是基于气相生长碳纤维的制备工艺。在研究气相生长碳纤维早期工作中就己经发现有直径很细的空心管状碳纤维，但遗憾的是没有对其进行更详细的研究[4]。直到Iijima在高分辨透射电子显微镜发现产物中有纳米级碳管存在，才开始真正的以碳纳米管的名义进行广泛而深入的研究。化学气相沉积法制备碳纳米管的原料气，国际上主要采用乙炔，但也采用许多别的碳源气体，如甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、甲醇、乙醇、二甲苯等。在过渡金属催化剂铁钴镍催化生成的碳纳米管时，使用含铁催化剂，多数得到多壁碳纳米管；使用含钴催化剂，大多数的实验得到多壁碳纳米管；过渡金属的混合物比单一金属合成碳纳米管更有效。铁镍合金多合成多壁碳纳米管，铁钴合金相比较更容易制得单壁碳纳米管。此外，两种金属的混合物作为催化剂可以大大促进碳纳米管的生长。许多文献证实铁、钴、镍任意两种的混合物或者其他金属与铁、钴、镍任何一种的混合物均对碳纳米管的生长具有显著的提高作用，不仅可以提高催化剂的性能，而且可以提高产物的质量或者降低反应温度。催化裂解二甲苯时，将适量金属铽与铁混合，可以提高多壁碳纳米管的纯度和规则度。因而，包括像烃及一氧化碳等可在催化剂上裂解或歧化生成碳的物料均有形成碳纳米管的可能。Lee Y T 等[5]讨论了以铁分散的二氧化硅为基体，乙炔为碳源所制备的垂直生长的碳纳米管阵列的生长机理，并提出了碳纳米管的生长模型。Mukhopdayya K等[6]提出了一种简单而新颖的低温制备碳纳米管阵列的方法。该法以沸石为基体，以钴和钒为催化剂，仍是以乙炔气体为碳源。Pna Z W等[7]以乙炔为碳源，铁畦纳米复合物为基体高效生长出开口的多壁碳纳米管阵列。 1.2评价化学气相沉积法该法制备的纳米微粒颗粒均匀，纯度高，粒度小，分散性好，化学反应活性高，工艺可控和连续，可对整个基体进行沉积等优点。此外，化学气相沉积法因其制备工艺简单，设备投入少，操作方便，适于大规模生产而显示出它的工业应用前景。因此，化学气相沉积法成为实现可控合成技术的一种有效途径。化学气相沉积法缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等膜材料。总之，随着纳米材料制备技术的不断完善，化学气相沉积法将会得到更广泛的应用。

纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象

7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义：其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明答：零维：团簇、量子点、纳米粒子一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料

树枝状聚合物模板合成纳米材料

树枝状聚合物为模板合成纳米粒子摘要：纳米效应使纳米材料在光学、热学、力学、磁学等方面性能都有显著的提高，具有重要的学术价值以及广阔的应用开发前景。本文主要综述了以树枝化聚合物为模板制备纳米粒子的研究现状，分析总结了该方法的优缺点及树枝状聚合物种类、结构、代数浓度及pH值等对纳米粒子的影响，同时对以树枝状聚合物为模板合成纳米粒子的前景进行了展望。关键词：树枝状，聚合物，模板，纳米粒子 1.简介树枝状分子由Tomalia[1]于1985年首先合成得到，与一般的线形和支化高分子相比,有一下几个特点:(1)可以在分子水平上精确设计和控制分子的大小和功能基团；(2)具有三维高度有序,尺寸大小一致的单分子理想的球体结构,分子量分布系数为1；(3)具有内部疏松(空腔)、外部致密的结构而且在表面拥有大量功能基团容易实现功能化改性；(4)物性上表现为低粘度高流变不能结晶等。这些特殊的结构和物性使树枝状分子具有多种研究和应用意义，自从它出现以来一直是高分子领域的研究热点之一[2]。纳米粒子是指尺寸在1-100nm之间的超细微粒,当固体颗粒的大小处于这个范围时，比表面积大、表面原子多、表面能和表面张力随粒径的减小而急剧增大而出现了许多不同于本体固体的独特性质，如量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[3, 4]。纳米粉体的制备方法可分为物理法和化学法，其中化学法主要有微乳液法、化学气相沉淀法、溶胶凝胶法和液相化学、还原法等。由于纳米粒子的比表面积大以及表面能极高，在液相中生成的纳米粒子需要稳定剂以抑制

纳米粒子的聚集。常用的稳定剂有有机配体、小分子表面活性剂和高分子等，其中高分，子稳定剂有聚1,2-亚甲基亚胺(PEI)、聚N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVP)和聚丙烯酸(PAA)等。稳定剂不仅防止纳米粒子的聚沉，同时控制粒子的大小，使用线形高分子稳定剂可以制备直径小于2nm的金属纳米粒子。但缺点是制备的粒子不是有序的原因是线形高分子的分子量的多分散性以及吸附在纳米粒子表面的高分子层的厚度不同。树枝化聚合物有三维对称的球形结构，且分散系数接近1，分子内存在可容纳纳米粒子的空腔，为以其为模板制备出分布均一、粒径稳定的金属及其化合物纳米簇提供了条件[5]。本文主要综述了以树枝化聚合物为模板制备纳米粒子的研究现状，分析总结了该方法的优缺点及树枝状聚合物种类、结构、代数浓度及pH值等对纳米粒子的影响，同时对以树枝状聚合物为模板合成纳米粒子的前景进行了展望。 2. 树枝状聚合物的模板作用图1是典型的树枝状聚合物的结构示意图，它从内到外分为核分子、高度支化区和终止基团三部分组成。代数较高时(四代以上)的呈三维球状立体结构,虽然树枝状聚合物自身大小也在纳米范围几纳米到几十纳米内，但仍可利用它的模板作用制备尺寸更小的纳米粒子。树枝状聚合物模板作用的机理可分为配位吸附和空间限制两种，前者是通过被吸附物与树枝状分子球体内部基团或表面基团的吸附配位作用形成被吸附物纳米粒子；后者是利用分子球体的内部有空腔外部致密的特点通过空间限制作用在树枝状的内部空腔内容纳客体纳米粒子内模板作用[6]。

纳米材料的主要制备方法

本科毕业论文学院物理电子工程学院专业物理学年级 2008级姓名贾学伟设计题目纳米材料的主要制备方法指导教师闫海龙职称副教授 2012年4月28日目录摘要 (1) Abstract (1) 1 引言 (1) 1.1纳米材料的定义 (1) 1.2纳米材料的研究意义 (2) 2 纳米材料的主要制备方法 (3) 2.1化学气相沉积法 (3) 2.2溶胶－凝胶法 (5) 2.3分子束外延法 (6) 2.4脉冲激光沉积法 (8) 2.5静电纺丝法 (9) 2.6磁控溅射法 (11) 2.7水热法 (12)

2.8其他制备纳米材料的方法 (13) 3 总结 (14) 参考文献 (14) 致谢 (15)

纳米材料的主要制备方法学生姓名：贾学伟学号：学院：物理电子工程学院专业：物理学指导教师：闫海龙职称：副教授摘要：纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。本文主要介绍了纳米材料的制备方法,其中包括化学气相沉积法、溶胶—凝胶法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、静电纺丝法、磁控溅射法、水热法等。在此基础上,分析了现代纳米材料制备方法的发展趋势。纳米技术对21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展有重要影响,对生产力的发展有重要作用。关键词：纳米；纳米材料；纳米科技；制备方法 The preparation method of nanomaterials Abstract：Nanomaterials are attracting intense in recent years. With the development of nanotechnology, nanomaterials preparation method has been more and more mature. The preparation methods sush as, chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy, laser pulse precipitation, sintering, hydrothermal method, sol-gel method are introduced in this paper. New development trend of preparation methods are analysed. N anomaterials will promote the development of IT, medicine, environment, automation technology and energy science, and will have a great influenced on productive in the 21st century. Key words：nanometer；na nomaterials；nanotechnology；preparation 1 引言 1.1纳米材料的定义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或由它们作为基本单元构成的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，这大约相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺度[1]。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切，当小粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值[2]。

自由电荷、束缚电荷

自由电荷是一种等效概念，通常指存在于物质内部，在外电场作用下能作定向运动的电荷。中文名自由电荷包括自由阳离子特点物体内部对它们的束缚比较弱通常指存在于物质内部电路中自由电荷的移动包括自由阳离子（正电荷），自由阴离子（负电荷）和自由电子。如金属中的自由电子，电解质溶液中的正、负离子，稀薄气体中的电子和离子等。自由电荷的特点是物体内部对它们的束缚比较弱，可以在物体内部自由移动；同时，自由电荷并非真实存在，而只是用来描述自由电子移动的一种模型。物体内部的自由电荷的多少决定了物体导电性能的强弱；物体内部自由电荷的种类可以不同，既可以是负电荷（如电子、电解溶液中的氯离子等），也可以是正电荷（如溶液中的氢离子）。在处理实际问题时，常常根据需要将不同的带电微粒等效为某种电荷，比如将导线中的自由电子等效为等量反向移动的自由正电荷。

电介质中的正负电荷，在电场力作用下只能在原子或分子范围内做微小位移，它们叫束缚电荷。在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表面要出现电荷，这种电荷不能离开电介质到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。称它为束缚电荷或极化电荷。中文名束缚电荷导体电介质极化产生附加电荷介质引入极化电介质极化后可在电介质内部和表面上产生附加电荷，由于这种电荷不像导体中的自由电荷那样可用传导的方法引走，它在电场力作用下只能在原子或分子范围内做微小位移，故称作束缚电荷或极化电荷。它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走,在外电场中,出现束缚电荷的现象叫做电介质的极化。

极化(束缚)电荷与极化强度的关系：可证明对于均匀的电介质,极化电荷集中在它的表面。电介质产生的一切宏观效果都是通过未抵消的束缚电荷来体现.下面导出束缚电荷分布与极化强度的关系。在介质中引入极化强度线来描述它在外场中的极化。沿着此曲线取一长度为dl在其内部极化可视为是均匀的。垂直于此曲线的横截面dS组成一个小圆柱体，因而该体元具有电偶极矩 , 根据定义它可视为两端具有电荷的偶极矩

纳米教学设计2

11、《新奇的纳米技术》导学案教学目标： 1．能正确、流利地朗读课文。了解什么是“纳米技术”，以及纳米科技的广泛应用。 2．理解文章结构，能利用规律概括段落大意。 3．能收集相关资料，并根据文章内容提出自己的疑问。 4．会用关联词来介绍一样物品。 5.激发学生爱科学、学科学的热情。教学时间 2课时导学单： 1、这篇课文我已经读了（）遍，自己认为读得（A.正确流利B.基本流利C.不太流利）组内伙伴评价：（A.正确流利B.基本流利C.不太流利） 2、我已经会认读这些新词：除臭技术微观对象纳米缓释技术长度度量单位这种大小的物质纳米自清洁技术碳纳米管纳米管储氢气纳米吸波材料探测雷达波 3、我要提醒大家容易读错的词语有 4、读了课题《新奇的纳米技术》，你知道了什么?有哪些问题要与大家交流？导学学过程基础部分（学习程序：课前通过自己独立学习，完成基础部分及要点部分会做的内容，课内小组交流基础部分，后展示、点评。时间约10分钟）一、谈话引入，激发兴趣 1．今天我们来学习一篇新课文《新奇的纳米技术》（板书课题）。 2．以前听说过“纳米技术”吗？“新奇”的意思？说说生活中你有没有遇到过新奇的事物。二、通读课文，了解大意 1．检查课文朗读。出示课文中的科技术语和句子。先组内相互听读纠正，然后全班交流。词语：除臭技术微观对象纳米缓释技术长度度量单位这种大小的物质

纳米自清洁技术碳纳米管纳米管储氢气纳米吸波材料探测雷达波句子：纳米技术就是与纳米尺度的微观对象打交道的先进技术。纳米技术就是研究并利用这些特性造福于人类的一门新学问。 2．自由交流：读了课文，你知道了什么？ 3.自学了课文后你有什么问题想问？重点部分（学习程序：先独立学习要点部分，再组内群学要点部分，时间约8分钟。然后根据各组疑问情况，安排小组大展示，点评，教师及时追问、点拨，时间约17分钟。）三、细读课文，深入理解（一）学习第一自然段。 1．齐读第一段，读了这一段你有什么问题吗？（微米、纳米是什么？）（二）学习第二自然段。 1．自读第二自然段，想想：课文这一段主要讲了什么呢？（纳米是一种很小的长度计量单位和什么是纳米技术。） 2.品读句子，感受说明方法。纳米是非常非常小的长度度量单位，非常非常小。纳米是非常非常小的长度度量单位，1纳米等于十亿分之一米。你觉得哪句话写得更明白形象些？为什么？（用了列数字的方法）文章中还有哪些句子也是生动地向我们介绍了纳米是很小的长度度量单位？ 3、理解“顾名思义”的意思。（智能手机、平板电脑、混合动力汽车） 4、理解：纳米技术就是与纳米尺度的微观对象打交道的先进技术。你理解这句话吗？来说说哪些词语不懂？（纳米尺度、微观对象）缩句练习。 5．你觉得这句话是围绕着哪句话来写的？从文中用——划出。分析总分段式的特点。根据规律，找到3、4、5的总起句，说出主要内容。（三）学习第三自然段。 1、自读这本段，从文中找一找，作者举了哪些例子来说明纳米技术就在我们身边。（冰箱的涂层、纳米领带、纳米彩旗） 2、细读这些例子，说说运用了纳米技术后，有哪些神奇的效果。

人教版部编本四年级下册《纳米技术就在我们身边》第一课时教学设计

人教版部编本四年级下册《纳米技术就在我们身边》第一课时教学设计教学目标 1.自主学习字词，会认“兵、乓”等12个生字，会写“纳、拥”等15个生字，理解字义，识记字形。正确读写“纳米拥有冰箱除臭隐形健康预防病灶疾病细胞”等词语。 2.正确朗读课文，理清文章结构。教具准备课件：教学设计一、图片导入,激发兴趣。 1.导语:大家还记得在科幻世界里那些随意消失变化的人吗？还记得在神话世界里，孙悟空的七十二变吗？现在所有这一切都不是在疯狂的科幻世界里，不是在神奇的神话里，而是在离我们也许只有几年之遥的纳米时代！那么什么是纳米？什么是纳米技术？大家想不想了解有关这方面的知识？ 2.展示图片:【课件出示2】图1.纳米机器人（描述的是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由地游动，对于像脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易地予以清理，而不再用进行危险的开颅、开胸手术。）图2.纳米技术制作的中国地图（这是中国科学院化学所的科技人员，利用纳米加工技术在石墨表面，通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。这幅地图到底有多小呢？打个比方吧，如果把这幅图放大到一张一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。）

3.板书课题: 简述:这篇科学小品文向我们简单而准确地介绍了纳米、纳米技术等科学知识,展示了纳米技术美妙的前景。（板书：纳米技术就在我们身边） 4.出示目标。二、初读课文，解决字词。 1.学生自读课文，要求：【出示课件3】（1）正确、流利地读课文，读准字音，读通句子。（2）遇到自己喜欢的语句，多读几遍。 2.自学课文生字词，可以用笔在文中圈出来，然后用合适的方法来解决生字词。 3.检查学习效果，相机指导。（1）检查并指正读音【出示课件4：本课生字新词】乒乓球拥有杀菌防臭蔬菜癌症死亡率疾病病灶纳米冰箱钢铁隐形健康细胞预防需要自由读，指名读，齐读。注意读准平舌音“灶”，翘舌音“杀臭疏”等。（2）指导书写【出示课件5、6】重点指导“臭蔬健康”。 “臭”上下结构，上面是个“自”下面是个“犬”，不要少写“自”里的一横和“犬”上的一点。 “蔬”上窄下宽，下面是“疏”，不要多写横撇下的一撇，也不要少写了撇折右边的一点。 “健”左窄右宽，注意中间是“廴”不是“辶”。 “康”半包围结构，注意里面的部分，最后四笔分别是：点、提、撇、捺。（3）检查词语理解。【出示课件7、8、9】（1）微米：微米是长度单位。1微米相当于1米的一百万分之一。

模板合成法制备纳米材料的研究进展

收稿日期：２００６－１１－２８江苏陶瓷ＪｉａｎｇｓｕＣｅｒａｍｉｃｓ第４０卷第３期２００７年６月Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ，２００７０前言纳米微粒因其特有的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等导致其产生了许多独特的光、电、磁、热及催化等特性，在许多高新科技领域如陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等方面有广阔的应用前景和重要价值。作为纳米材料研究的一个重要方向，探索条件温和、形态和粒径及其分布可控、产率高的制备方法是这方面研究的首要任务。目前已经发展了很多制备方法［１］，如：蒸发冷凝法、物理粉碎法、机械球磨法等物理方法和气相沉积法、溶胶－凝胶法、沉淀法、水（溶剂）热法和模板法等化学方法，其中模板法因具有实验装置简单、操作容易、形态可控、适用面广等优点，近年来引起了人们的极大兴趣。模板法的类型大致可分为硬模板和软模板两大类。硬模板包括多孔氧化铝、二氧化硅、碳纳米管、分子筛、以及经过特殊处理的多孔高分子薄膜等。软模板则包括表面活性剂、聚合物、生物分子及其它有机物质等。利用模板合成技术人们已经制得了各种物质包括金属、氧化物、硫化合物、无机盐以及复合材料的球形粒子、一维纳米棒、纳米线、纳米管以及二维有序阵列等各种形状的纳米结构材料。本文将简要介绍近年来国内外利用模板法制备纳米结构材料的一些进展［２］。１硬模板法制备纳米材料这种方法主要是采用预制的刚性模板，如：多孔阳极氧化铝膜、二氧化硅模板法、微孔、中孔分子筛（如ＭＣＭ－４１、ＳＢＡ－１５等）、碳纳米管以及其它模板。１．１多孔阳极氧化铝法多孔氧化铝膜是近年来人们通过金属铝的阳极电解氧化得到的一种人造多孔材料，这种膜含有孔径大小一致、排列有序、分布均匀的柱状孔，孔与孔之间相互独立，而且孔的直径在几纳米至几百纳米之间，并可以通过调节电解条件来控制［３］。利用多孔氧化铝膜作模板可制备多种化合物的纳米结构材料，如通过溶胶－凝胶涂层技术可以合成二氧化硅纳米管，通过电沉积法可以制备Ｂｉ２Ｔｅ３纳米线［４］。这些多孔的氧化铝膜还可以被用作模板来制备各种材料的纳米管或纳米棒的有序阵列，如：ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３纳米管阵列，ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３纳米管阵列，ＺｎＯ、ＭｎＯ２、ＷＯ３、Ｃｏ３Ｏ４、Ｖ２Ｏ５纳米棒阵列以及Ｂｉ１－ｘＳｂｘ纳米线有序阵列等［１］。１．２二氧化硅模板法分子筛ＭＣＭ－４１二氧化硅和通过溶胶－凝胶过程形成的二氧化硅都可用作纳米结构材料形成的模板，其中ＭＣＭ－４１为介孔氧化硅模板，它具有纳米尺寸的均匀孔，孔内可形成有序排布的纳米材料，属于外模板，而溶胶－凝胶法形成的二氧化硅胶粒则属于内模板，在其上形成纳米结构材料，最后二氧化硅用氢氟酸溶解除去。２００２年Ｆｒｏｂａ等报道了在中孔的分子筛ＭＣＭ－４１二氧化硅内部形成有序排布的Ⅱ／Ⅵ磁性半导体量化线Ｃｄ１－ｘＭｎｘＳ。２００３年Ｚｈａｏ等报道以Ｉｎ（ＮＯ３）３为原料，以高度有序中孔结构的表面活性剂ＳｉＯ２为模板剂和还原剂，采用一步纳米浇铸法合成了高度有序的单晶氧化铟纳米线阵列。２００２年Ｄａｈｎｅ等以三聚氰胺甲醛为第一层模板，利用逐层（ＬｂＬ）方法制备了ＰＡＨ／ＰＳＳ交替多层膜覆盖的三聚氰胺甲醛粒子，在ＰＡＨ／ＰＳＳ交替的多层膜上进一步通过溶胶－凝胶方法覆盖上二氧化硅作为第二层模板，再利用ＬｂＬ方法制备ＰＡＨ／ＰＳＳ交替的多层膜，然后用盐酸溶解模板合成法制备纳米材料的研究进展黄艳（陕西科技大学材料科学与工程学院，咸阳７１００２１）摘要介绍了近年来国内外利用氧化铝、二氧化硅、碳纳米管、表面活性剂、聚合物、生物分子等作模板制备多种物质的纳米结构材料的一些进展。关键词模板法；纳米材料；合成１

极化强度与极化电荷的关系

极化强度与极化电荷的关系 Prepared on 22 November 2020

三、极化强度与极化电荷的关系极化电荷是由于电介质极化所产生的，因此极化强度与极化电荷之间必定存在某种关系。可以证明，对于均匀极化的情形，极化电荷只出现在电介质的表面图9-31 上。在极化了的电介质内切出一个长度为l、底面积为s的斜柱体，使极化强度p的方向与斜柱体的轴线相平行，而与底面的外法线n的方向成角，如图9-31所示。出现在两个端面上的极化电荷面密度分别用和表示。可以把整个斜柱体看为一个“大电偶极子”，它的电矩的大小为sl，显然这个电矩是由斜柱体内所有分子电矩提供的。所以，斜柱体内分子电矩的矢量和的大小可以表示为 , 斜柱体的体积为 , 根据式(9-57)，极化强度的大小为 . 由此得到 = p cos = p n , 或者

,(9-58) 式中p n是极化强度矢量p沿介质表面外法线方向的分量。式(9-58)表示，极化电荷面密度等于极化强度沿该面法线方向的分量。对于图9-31中的斜柱体，在右底图9-32 面上/2，cos>0，为正值；在左底面上/2，cos< 0，为负值；而在侧面上= /2，cos= 0，为零值。为了得出极化强度与极化电荷更一般的关系，我们任作一闭合曲面s，与极化强度为p且沿轴线方向极化的电介质斜柱体相截，截面为s，如图9-32所示。在闭合曲面s 上取面元d s，以d s乘以式(9-58)等号两边，并对整个曲面s 积分，得 . 上式等号右端是闭合曲面s上极化电荷的总量，而这些极化电荷都处于s与介质相截的截面s 上，我们以表示之。另外，无论电介质是否极化，其整体总是电中性的，既然在s 面上出现了量值为的极化电荷，那么s面内必定存在着量值为的极化电荷。所以，下式必定成立 (9-59) 上式表示，极化强度沿任意闭合曲面的面积分(即p对该闭合曲面的通量)，等于该闭合曲面所包围的极化电荷的负值。显然，当闭合曲面s所包围的整个空间充满均匀电介质时，由于均匀电介质内部不存在极化电荷，所有极化电荷都处于其表面上，所以该闭合曲面的极化强度通量必定等于零。

常州纳米材料项目规划方案

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摘要说明— 上世纪80年代末，我国政府开始重视纳米材料和技术的研究，90年代中期之后，从事纳米材料生产开发的公司不断增多，社会资金投入也不断增加，纳米材料应用产业兴起。进入二十一世纪，我国纳米材料产业进入稳定、健康的发展阶段，各种包括纳米材料在内的新材料产业法规、标准也陆续出台，纳米行业从业者的外部环境逐渐变好，竞争更加有序。该纳米材料项目计划总投资16668.32万元，其中：固定资产投资12328.67万元，占项目总投资的73.96%；流动资金4339.65万元，占项目总投资的26.04%。达产年营业收入34676.00万元，总成本费用27159.02万元，税金及附加309.23万元，利润总额7516.98万元，利税总额8863.03万元，税后净利润5637.73万元，达产年纳税总额3225.29万元；达产年投资利润率45.10%，投资利税率53.17%，投资回报率33.82%，全部投资回收期4.46年，提供就业职位770个。纳米材料及其相应的制取、组合技术已成为21世纪世界科技发展中的主流方向，也是世界各国最主要的研究热点之一。当前，我国在纳米领域发表的SCI论文累计已经跃居全球第一，同时相关专利的申请量累计达20.9万件，占全球总量的45%。然而，在美国专利及商标局的专利统计数

据中，即使不计美国自身，我国大陆地区的专利数量也居于韩国、日本、中国台湾地区之后，说明我国相关产业参与国际化竞争的程度仍然不够深。报告内容：概述、背景、必要性分析、市场调研预测、建设规划方案、项目选址、土建工程、工艺可行性分析、环境影响分析、项目职业保护、项目风险评估、节能概况、实施安排方案、项目投资方案、项目盈利能力分析、项目结论等。规划设计/投资分析/产业运营

石墨烯纳米材料及其应用

墨烯纳米材料及其应

二?一七年十二月

摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签

石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（）。在石墨烯平面内，碳原子以六兀环形式周期性排列，每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连，S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构，具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov

常见纳米材料的制备技术

东华大学研究生课程论文封面教师填写：本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：注：本表格作为课程论文的首页递交，请用水笔或钢笔填写。

常见纳米材料的制备技术 1 概述纳米材料是指材料的任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料，广义来讲，数百纳米的尺度亦可称为纳米材料。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能，纳米材料的性能往往由量子力学决定。按照纳米材料的空间形态可以将其分为4类：三维尺寸均为纳米量级的纳米粒子或人造原子被称为零维纳米材料；纳米纤维为一维纳米材料；纳米膜（片、层）可以称为二维纳米材料；而有纳米结构的材料可以称为三维纳米材料。目前只有纳米粉末实现了工业化生产（如碳酸钙、氧化锌等），静电纺纳米纤维的产量能够满足实验的需求，其它纳米材料基本上还处于实验室研究阶段[1]。 2 常见的纳米材料 2.1 零维纳米材料指空间中三个维度的尺寸均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。纳米球全称“原子自组装纳米球固体润滑剂”，是具有二十面体原子团簇结构的铝基合金，是一种新型纳米/非晶合金固体抗磨自修复剂，采用急冷方法制备抗磨剂粉体，在合金从液体到固体的凝固过程中，形成纳米晶/非晶的复合结构，利用粒度控制的方法对抗磨剂粉末进行超微细化处理而成。该材料具有高硬度、高强度，并具有一定的韧性等性能，在多种减摩自修复机制的综合作用下呈现优良的减摩和抗磨性能，可以起到节省燃油、修复磨损表面、增强机车动力、降低噪音、减少污染物排放、保护环境的作用。 2.2 一维纳米材料一维纳米材料指空间中有二维处于纳米尺度的材料，如纳米纤维、纳米棒、碳纳米管等。静电纺纳米纤维是目前唯一一种能够连续制备纳米纤维的技术，它是利用高压电场力将纤维从导电溶液中抽拔出来，在抽拔过程中纤维被拉伸变细、溶剂挥

电极化强度(Polarization)

四、电极化强度（Polarization ）宏观上，电介质极化程度用电极化强度矢量来描述。 1. 电极化强度矢量（1）定义： ΔV p P i i ΔV ∑= lim ，其中i p 是第i 个分子的电偶极矩。 P 称为电极化强度。单位为：2 -?m C 。 1．引入——定量描述电介质在外电场作用下的极化程度在电介质内取一宏观小体积ΔV ，在没有外电场时，电介质未被极化，此小体积元中各分子的电偶极矩的矢量和为零；当有外电场时，电介质被极化，此小体积元中的电偶极矩的矢量和将不为零。外电场越强，分子的电偶极矩的矢量和越大。因而可以用单位体积中分子的电偶极矩的矢量和来表示电介质的极化程度。 2．电极化强度的定义单位体积中分子的电偶极矩的矢量和叫作电介质的电极化强度。 V p P ?= ∑ 3．关于电极化强度的说明电极化强度用来表征电介质极化程度的物理量；单位：C ?m-2——与电荷面密度的单位相同；若电介质的电极化强度大小和方向相同，称为均匀极化；否则，称为非均匀极化。 4．电极化强度和极化电荷面密度的关系以平板电容器为例来讨论。在电介质中取一长为d 、面积为ΔS 的柱体，柱体两底面的极化电荷面密度分别为-σ’和+σ’，这样柱体内所有分子的电偶极矩的矢量和的大小为 ∑ ?'=Sd p σ

因而电极化强度的大小为 σσ' ??'=?∑＝＝Sd Sd V p P 即：平板电容器中的均匀电介质，其电极化强度的大小对于极化产生的极化电荷面密度。一般情况下： n P ?='σ 'i S q S d P ∑-=??? ——极化电荷总量的负值例：如图所示，当θ<π/2时，σ’>0，正的极化电荷当θ>π/2时，σ’<0，负的极化电荷三、电介质中电场强度介电常数（极化电荷和自由电荷的关系） 1．电介质中电场强度电介质在电场中将产生极化现象，出现极化电荷，反过来又将影响原来的电场。以平板电容器为例。设平板电容器的极板面积为S 、极板间距为d ，电荷面密度为σ0，放入电介质之前，极板间的电场强度的大小为σ0/S 。当极板间充满各向同性的电介质时，由于电介质的极化，在它的两个垂直于0E 的表面上分别出现正负极化电荷，其电荷面密度为σ’。极化电荷产生的场强E ' 的大小为 00εεσP E ＝＝ ''——退极化场Depolarization Field 因而电介质中的场强E 为自由电荷产生的场强0E 和极化电荷产生的场强E ' 的矢量和，即 E E E ' ＋＝0 由于0E 的方向与E ' 的方向相反，所以E 的大小为 )(1 00 0000 0σσεεσεσε'-='-= - =P E E

(完整版)纳米材料的制备技术及其特点

纳米材料的制备技术及其特点一纳米材料的性能广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性[ 1 ] ,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切[ 2 ] [ 3 ] 。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。二纳米材料的制备方法纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶化和蒸发,蒸汽达到周围的气体就会被冷凝或发生化学反应形成超微粒。 2 化学制备方法化学法是指通过适当的化学反应, 从分子、原子、离子出发制备纳米物质,它包括化学气相沉积法[5][6]、化学气相冷凝法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法,该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。