基于纳米材料与纳米结构的纳米电源研究进展

基于纳米材料与纳米结构的纳米电源研究进展
基于纳米材料与纳米结构的纳米电源研究进展

第29卷 第9期 无 机 材 料 学 报

Vol. 29

No. 9

2014年9月

Journal of Inorganic Materials Sep., 2014

收稿日期: 2013-12-31; 收到修改稿日期: 2014-02-26

基金项目: 国家自然科学基金(11174227, 51209023, J1210061); 湖北省科技支撑计划项目(2013BHE012); 中央高校基本科

研业务费

National Natural Science Foundation of China (11174227, 51209023, J1210061); Hubei Province Science & Tech-nology Support Project of China(2013BHE012); Chinese Universities Scientific Fund

作者简介: 潘春旭(1962–), 男, 教授. E-mail: cxpan@https://www.360docs.net/doc/b411106611.html,

文章编号: 1000-324X(2014)09-0897-08 DOI: 10.15541/jim20130691

基于纳米材料与纳米结构的纳米电源研究进展

潘春旭, 李伟平, 张豫鹏, 余超智, 黎德龙

(武汉大学 物理科学与技术学院, 人工微结构教育部重点实验室,武汉 430072)

摘 要: 随着现代社会的发展和能源危机的来临, 探索和寻找新的能源材料, 开发新能源是人类的永恒课题。自2006年基于ZnO 纳米线压电效应的压电式纳米电源问世以来, 又研制出多种基于纳米材料和纳米结构, 以及不同纳米效应的新型纳米电源。本文综述了近10年来, 人们在纳米电源领域的研究成果; 系统介绍了基于压电效应、摩擦效应以及石墨烯能带调控纳米电源的原理和特点, 为今后新型纳米电源的开发提供思路和参考。 关 键 词: 纳米电源; 压电效应; 摩擦起电效应; 石墨烯 中图分类号: TB34 文献标识码: A

Research Progress on Nanogenerators Based on Nanomaterials and Nanostructures

PAN Chun-Xu, LI Wei-Ping, ZHANG Yu-Peng, YU Chao-Zhi, LI De-Long

(School of Physics and Technology, MOE Key Laboratory of Artificial Micro- and Nano-structures, Wuhan 430072, China)

Abstract: With the development of society and energy crisis, searching for new energy materials and developing

new energy have been one of the eternal subjects. Since the piezoelectric nanogenerator based on ZnO was devel-oped in 2006, many nanogenerators have been developed based on nanomaterials and nanostructures due to their different nano-effects. This paper reviews the scientific achievements on nanogenerators in nearly 10 years, and in-troduces the principles of the nanogenerators based on piezoelectric effect, triboelectric effect and modulation of the graphene band, which provide references for the development of new nanogenerator in the future.

Key words: nanogenerator; piezoelectric effect; triboelectric effect; graphene

能源是社会进步和经济发展的基本驱动力, 是人类赖以生存的物质基础, 开发新能源和新能源材料是人类的永恒课题。众所周知, 人类使用的煤炭、石油及天然气在地球上的储量有限, 因此, 探索新型可再生能源, 从环境中获取能量来解决人类所面临的能源危机, 已经逐渐发展成为一大前沿课题[1-3]。

自然界中有多种不同形式的可再生能源, 如太阳能、风能、水能等。现阶段, 这些能源已开始在社会发展、国民生产等各个领域发挥着重要作用。然而, 还有一类可再生能源还没有得到有效的利用,

例如, 人类活动中的运动、肌肉伸缩、血压变化、体液或血液流动、血管收缩与舒张等(机械能)。相比较而言, 这类能量利用成本低, 有效利用率高。因此, 开发新型的纳米电源将这些能量转化为电能, 将会在纳米科技、人体健康以及现代工业等领域产生广泛的应用前景[4-5]。

在过去几十年中, 纳米材料在纳米电子学、光电子学、材料科学、化学和生物等领域取得了许多突破性进展。开发出大量新型的纳米材料与微纳器件, 并在生物医学、信息、能源以及人们日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前景。这些成

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果为人类社会的文明进步和可持续发展等带来了深远影响[6-8]。其中, 作为纳米器件的一种形式, 纳米电源由于体积小和能量转换效率高等特点, 在纳米科技、现代工业以及人体健康等领域都有重要的应用。目前, 对于纳米电源来说, 两个因素至关重要: 1)能量产生过程中所对应的物理效应; 2)纳米电源所使用的电极材料。目前, 主要有两种物理效应被用于纳米电源系统: 压电效应与摩擦效应。针对不同的物理效应, 需要使用不同的电极材料。例如, 1)压电式纳米电源可以看做电子由压电效应驱动的瞬时流量。当纳米电源受到压力时, 产生一个应变场, 使感应电荷积累在顶部和底部电极。压电式纳米电源最常用的电极材料是ZnO、CdS、GaN、PZT、PVDF等; 2)摩擦式纳米电源是通过两种材料之间的接触与分离, 具有相对的摩擦起电和静电感应之间的耦合效应将机械能转换成电能。摩擦式纳米电源的电极系统主要为PMMA-Kapton、Al-PTFE 和Al-PDMS等。

总体而言, 目前能够用于制备纳米电源的材料不多。随着纳米电源技术的快速发展, 迫切需要开发新材料和探索新效应应用于纳米电源系统。近年来, 石墨烯以其优异的物理、化学、力学和电学等性能[9], 被广泛应用于复合材料、纳米电子器件、光电子器件和储能材料催化等多种领域。现有研究显示, 基于石墨烯的能带调控效应同样可以用于开发新的纳米电源, 其原理在于应变状态和原始状态下的石墨烯片层间存在一个化学势能差, 通过电路设计可以将其能量输出。

本文系统综述了现阶段在压电式、摩擦式与石墨烯能带调控式纳米电源方面所取得的研究进展, 以期为纳米电源的应用与发展提供参考借鉴。

1压电式纳米电源

压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时, 其内部会产生极化现象, 同时在其两个相对表面上出现正负相反的电荷; 当外力去掉后, 它又会恢复到不带电状态的一种物理现象。而当作用力的方向改变时, 电荷的极性也随之改变。相反, 当在电介质的极化方向上施加电场, 这些电介质也会发生变形, 电场去掉后, 电介质的变形随之消失, 这种现象称为逆压电效应, 或称为电致伸缩现象。具有压电效应的材料主要有: 压电单晶体(石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等), 压电多晶体(钛酸钡、锆钛酸铅等), 压电聚合物与压电复合材料等[10]。

压电式纳米电源是一种使用压电材料作为电源电极, 利用其压电效应产生电势差, 并通过材料本身的性质或外接电路的设计达到电荷积累–释放的装置[11]。2006年首先由Wang等[12]提出了压电式纳米电源。他们利用氧化锌(ZnO)纳米线的半导体与压电双性能的耦合, 研制出基于ZnO压电效应的纳米电源。其中ZnO纳米线的制备方法是以α-Al2O3为基底, 金纳米颗粒为催化剂, 通过气–液–固(VLS)机理生长出ZnO纳米线阵列。然后, 借助原子力显微镜(AFM)针尖拨动ZnO纳米线, 使其产生弯曲和恢复直立。当一根直立ZnO纳米线被AFM针尖挤压时会产生应变场。由于压电效应的存在, ZnO纳米线的内外表面形成电势差, 使得电荷在ZnO纳米线中发生分离和传输, 从而将纳米尺度的机械能转化为电能。由于ZnO的半导体特性, 用半导体和金属的肖特基势垒将电能暂时储存在纳米线内, 利用针尖探测其输出的电压, 测得大部分纳米线的对外输出电压的峰值在6~9 mV之间, 如图1所示。2008年, Yang等[13]通过来回拨动柔性基底上的单根ZnO纳米线, 产生了交流电流输出, 拨动整个表面的纳米线阵列即能集合整个表面上的纳米线的电能输出。经过近10年的努力, 压电式纳米电源的研究已经取得了突破性进展, 研发出的纳米电源的输出电压也逐年上升, 最高电压与电流可以达到37 V与12 μA[14]。

基于相同的机理, 压电半导体材料CdS也被应用于压电式纳米电源的电极材料。Wang等[15]使用水热法与物理气相沉积(PVD)法分别制备了闪锌矿结构的CdS和六方纤锌结构CdS单晶, 同样使用原子力显微镜的铂探针拨动CdS纳米线, 并测量其电压输出。实验结果显示, 由PVD法制备出来的CdS单晶在实验中产生的电压达到3 mV, 比由水热法制备的CdS高得多。这是由于在水热法制备的闪锌矿结构CdS纳米线中, 沿其生长方向的压电性能有所降低, 使得其在外力作用下产生的电压也相应降低。

ZnO与CdS作为优良的压电半导体材料打开了纳米电源研究领域的新纪元, 然而由于其制备的纳米线纵向尺度小, 压电效应产生的电能有限, 在电能的利用上存在一定的困难。GaN作为优良的光电材料被广泛地应用于激光[16–17]、LED灯[18–19]、太阳能电池[20]等器件中。GaN具有压电效应, 也被应用于纳米电源电极材料的研究中。Wang等[21]使用气–液–固(VLS)机理在蓝宝石基底上生长出棱柱形GaN纳米线, 使用原子力显微镜铂针尖拨动纳米线, 由于纳米线截面为三边形, 其纳米线结构特点令压电性能具有各向异性, 使其在不同方向作用力下产生的电压不同, 如图2所示。实验结果显示, GaN纳

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图1 压电式纳米电源的工作原理和电荷输出过程[12]

Fig. 1 Principle and charge output process of the piezoelectric nanogenerator [12]

米线的性能优于ZnO 纳米线, 输出电压达到0.15~0.35 V , 并且具有良好的稳定性与耐腐蚀性。

尽管压电半导体材料在纳米电源电极材料中的应用取得突破性进展, 然而, 纳米电源的电压仍有待提高, 压电陶瓷材料成为压电式纳米电源电极的又一选择。Chen 等[22]使用静电纺丝技术制备PZT 纳米纤维, 而后将其铺设在硅片基底的交叉铂线电极上, 并用PDMS 封装, 如图3所示。通过弯曲硅片基底使纳米线形变, 由于其压电效应, 能产生1.63 V 的电压输出。使用PZT 作为纳米电源电极材料有诸多优势, 例如: PZT 纳米纤维的直径大小能利用静电纺丝过程中的PVP 浓度进行控制进而提高纳米电源的电压; 通过PZT 纳米纤维的横纵排列来实现纳米电源的电压放大。

根据上述相似的原理, 人们又相继设计和研发出了多种压电式纳米电源, 如: 1)利用钛酸钡、氮化铟和铌酸钠等具有压电效应的压电材料作为电极材料的纳米电源[23-24]; 2)由超声波驱动的纳米电源; 3)由不同频率的振动噪声驱动的纳米电源等[25-28]。

图2 GaN 纳米线各向异性示意图[21]

Fig. 2 Anisotropy schematic of GaN nanowires [21]

图3 PZT 纳米电源结构与工作原理[22]

Fig. 3 Structure and principle of PZT nanogenerator [22]

2 摩擦式纳米电源

摩擦起电与静电是日常生活中非常普遍的现象。由于不同物质的原子核对核外电子的束缚能力

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不同, 当两个物体相互摩擦时, 原子核对核外电子的束缚本领弱的物体就会失去一些电子, 转移到另一个物体上, 失去电子的物体带正电, 得到电子的物体由于带有多余的电子而带负电, 这就是摩擦起电效应。一般来说, 这类由摩擦起电产生的能量很难被收集和利用, 成为人们忽略的一种能源形式[29]。

摩擦式纳米电源是一类基于柔性纳米薄膜“应变-恢复”过程中两电极接触、摩擦起电、静电感应的纳米电源系统, 是一种将摩擦产生的电能收集起来并加以利用的装置。摩擦式纳米电源有以下几个独特的优势: 1)它是一种基于新的原理与方法的新型纳米电源, 可为微-纳电子器件与电子学研究开辟新的研究领域; 2)整个器件的制造成本低, 工艺简单, 有利于大规模的工业化生产与实际应用; 3)整个器件的结构简单, 易加工, 器件使用寿命长, 容易和其他加工工艺集成[29]。此外, 由摩擦式纳米电源产生的电压远远大于压电式纳米电源。

Wang等[30]采用PET 和PDMS 这两种柔性聚合物纳米薄膜分别作为纳米电源的两极, 利用二者之间的摩擦效应, 产生摩擦电荷, 并成功实现电荷在电极界面的分离, 将机械能转化为电能, 见图4。实验中, 他们测试三种规则、均匀结构(线形、方形与棱锥形)的聚合物电极的输出功率。结果显示, 电极结构越复杂的纳米电源的输出电能越高(棱锥形聚合物的输出电压达到18 V, 远高于平整结构的聚合物)。此外, 制备的摩擦式纳米电源可作为自供电纳米传感器使用, 其具有敏感度高、无延迟等优异性能。

基于相似的原理,开发出K a p t o n(聚酰亚胺)-PDMS(聚二甲基硅氧烷)摩擦式纳米电源, 其纳米电源具有多层结构, 如图5所示[31]。两种聚合物通过一个隔离层分开, 形成了一个空腔, 然后在两种聚合物的背面再电沉积一层金属铝作为电极。在外部压力作用下, 两聚合物层接触在一起产生摩擦, 由于摩擦效应使得Kapton易得电子带上负电, 而PDMS带正电。当两个电极分开后, 两电极产生电势差, 通过外电路即可有电能输出, 产生脉冲。为了能增大聚合物的接触面积与粗糙程度进而达到增加摩擦效应产生的摩擦电荷, 增大电能转化效率, 科学家尝试利用纳米技术与表面修饰对聚合物进行处理。然而, 实验结果却显示产生的电能大幅地下降了。分析认为, 由于对聚合物的处理得到的纳米级聚合物纳米线在多次摩擦后产生了永久性形变, 不能够引起可持续性的有效摩擦, 因此使得输出电能下降。

在摩擦效应成功应用于纳米电源后, 人们希望能将环境中的低频机械能转化为电能, 例如: 人体的运动在1 Hz至10 Hz之间, 机械振动在10 Hz至100 Hz之间[32]。为此, 相继开发出更多的新型纳米电源, 例如Al-PTFE电极纳米电源[33]。Al-PTFE纳米电源结构, 如图6所示, 以丙烯酸树脂为基板封装整个纳米电源, 由离子刻蚀的PTFE(聚四氟乙烯)与金属铝作为电源的两极。当外部作用力施加于纳米电源时, 铝电极与PTFE接触, 产生摩擦, 由于摩擦效应使得电子由铝电极流入PTFE, 因为静电感应的存在, 导致在PTFE电极背面沉积的金属铜电荷分布不均匀, 通过连接外部回路, 即可将产生的电能供给外部负载工作。实验中, 测试该纳米电源对2~200 Hz之间频率的机械振动的响应效果, 根据其理论计算与实验结果, 在其共振频率为14.5 Hz 时纳米电源的输出电压达到最大值287.4 V, 并且在低频范围内有相当宽的工作带宽。

图4 PET-PDMS摩擦式纳米电源的工作原理和电荷输出过程[30]

Fig. 4 Principle and charge output process of the PET-PDMS triboelectric nanogenerator[30]

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图5 Kapton-PDMS 摩擦式纳米电源的多层结构[31]

Fig. 5 Multilayer structure of Kapton-PDMS triboelectric nanogenerator [31]

图6 Al-PTFE 电极纳米电源结构与共振频率测试[33]

Fig. 6 Structure and resonance frequency test of Al-PTFE triboelectric nanogenerator [33]

在摩擦式纳米电源取得较高输出电压后, 人们希望通过纳米电源结构的优化提高纳米电源机械能–电能的转化效率。北京大学的张海霞课题组[34]首次将微纳复合结构引入纳米电源, 提出了一种新型的“三明治”结构, 如图7所示。极大地提高了有效摩擦面积, 使器件在单次外力作用下, 可以实现两次有效摩擦(即两次摩擦和两次分离), 得到了具有倍频效果的纳米电源, 提高了电源的输出功率密度。为了验证其在生物医学中的应用, 他们将纳米电源在磷酸盐缓冲(PBS)溶液中成功驱动了视网膜神经假体针尖阵列, 电流达88 μA 。此外, 他们还系统地研究了频响特性与微纳表面形貌对性能的影响。发现当外力频率从1 Hz 增加到5 Hz 时, 开路电压从

图7 基于“三明治”复合结构的摩擦式纳米电源[34]

Fig. 7 Triboelectric nanogenerator based "sandwich" com-posite structure [34]

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120 V增加到320 V; 在5 Hz至7 Hz之间, 输出电压基本保持不变; 而当外力频率超过10 Hz时, 由于压缩力过短(即频率太高), 纳米电源不能恢复到之前的原始位置, 导致开路电压有所下降。并且, 相比平滑的微纳表面结构, 当增加了接触表面粗糙度时, 可以有效加强纳米电源的性能, 提高了输出电压。

3基于石墨烯能带调控的纳米电源

石墨烯是一种由碳原子经sp2杂化构成的二维蜂窝状网络结构。独特的二维结构赋予其优异的物理、化学、力学等性能[9]。例如, 高比表面积(单层石墨烯的比表面积高达2300 m2/g), 室温下高速的热导率和电子迁移率, 高弹性模量(1 TPa)、高透光率(97.7%)等[35]。然而, 本征石墨烯是一个带隙为零的半金属, 费米能级处的态密度为零, 仅通过电子的热激发进行导电极大地限制了石墨烯在诸多领域的应用。因此, 对石墨烯能带结构的调控成为推动石墨烯应用的关键性问题。目前, 对石墨烯能带调控的方法有很多, 包括施加外加电场, 引入应力应变、缺陷, 化学改性或与气体结合等。其中引入应力-应变越来越受到关注[36]。

大量研究表明, 石墨烯的能带结构对其晶格对称性相当敏感, 可以通过改变石墨烯晶格对称性, 也就是引入应力–应变的方式来打开石墨烯的能隙。例如, Chang等[37]研究了单轴应变对石墨烯纳米条带电子结构和光学性质的影响。Zhong 等[38]采用第一性原理和紧束缚近似方法研究了在不同的二维应力作用下石墨烯的电子结构, 发现在对称应力分布下, 石墨烯是一个零带隙半导体, 并且在弹性应变范围内, 它的赝带隙随着应变呈减小的趋势。Shen等[39]采用第一性原理研究非轴向应变状态下石墨烯电子结构的变化规律, 结果显示当施加1%的非轴向应变时, 石墨烯的带隙可达到300 meV左右。Huang等[40]采用“原位”纳米压痕技术对悬浮的石墨烯片层进行压痕实验, 并对压痕过程中处于应变状态下的石墨烯进行电输运性能测试。结果显示, 与原始状态下的石墨烯相比, 处于应变状态下的石墨烯的电输运性能发生明显变化。

根据上述石墨烯能带结构与其应力–应变的对应关系, Pan等[41]认为应变状态和原始状态下的石墨烯片层间必然存在化学势能的差异。如果将同样的石墨烯片层分别作为电源的两极, 当拉动其中一个电极时(使石墨烯发生应变), 就会在电源两极间产生电势差。基于这一思路, 开发出了一种基于石墨烯应变效应的新型纳米电源。其理论基础是: 当石墨烯在外力作用下发生形变(拉伸、弯曲等)时, 由于应变导致了石墨烯的能带结构发生改变, 进而使石墨烯在电解液环境中吸附与传导电荷的能力发生变化; 将变形石墨烯与原始状态石墨烯构成一个回路体系, 这时就会产生电压输出; 如果进行多回路的串联, 则可以获得更高的电压输出。

Pan等[41]利用电化学测试手段对由原始石墨烯与形变状态下石墨烯组成的电化学回路进行电压测试。其中石墨烯/PDMS薄膜为工作电极, Ag/AgCl电极为参比电极, 铂片电极为对电极, 电解液为1 mol/L的Na2SO4溶液。为了准确获得单层石墨烯对其应变状态的响应效果, 实验仅对石墨烯/PDMS薄膜施加了5%的应变量。图8为电化学体系中开路电位随石墨烯应变过程的变化规律, 从中可以看出, 当单层石墨烯的形变量为5%时, 在与未变形石墨烯构成的回路中即可产生8 mV 左右的电势差。

Dhiman等[42]利用微流控技术测试单层石墨烯对不同流速和不同浓度电解液的电信号响应行为, 见图9。他们将CVD法生长的单层石墨烯转移至SiO2/Si基底上, 并利用光刻技术引出电极, 通过控制石墨烯表面微流体的流速和浓度进行电信号测试。实验结果显示, 随着实验参数的调整, 可以产生电压–电流输出。并且在微流系统中流速达到一定范围后, 其输出电压将达到饱和。实验分析认为, 这是由于石墨烯表面吸附漂移的氯离子而产生的。

在石墨烯基纳米电源的研究热潮下, Guo等[43]利用层状石墨烯水凝胶膜(GHM)的离子输运特性制成了一种新的石墨烯纳米电源, 其原理是: 在水凝胶状态下, GHM中相邻的石墨烯层之间形成了厚度约11 nm的网络状纳米离子通道。在垂直于石墨烯薄膜的压力作用下, GHM表面带负电荷, 而

GHM

图8 石墨烯/PDMS应力拉伸的宏观形貌与单层石墨烯应变状态的电化学响应[41]

Fig. 8 Macro-morphology and electrochemical response of graphene/PDMS strained film[41]

第9期

潘春旭, 等: 基于纳米材料与纳米结构的纳米电源的研究进展 903

图9 微流测试示意图[42]

Fig. 9 Schematic layout of the flow test facility [42]

中的网络状离子通道只允许与石墨烯表面电性相反的离子通过, 排斥电性相同的离子, 如图10所示。使用Ag/AgCl 电极测量产生的环路电流, 发现电流在2~8 kPa 压强之间呈线性关系。在低于2 kPa 情况下, 由于石墨烯薄膜的疏水性, 外力不足于克服石墨烯层间的流体阻力, 所以测不到电流。而在压强大于10 kPa 时, 由于石墨烯薄膜出现破裂, 破坏了GHM 的离子通道结构, 也不能产生电流。

上述实验显示, 与其它纳米电源体系相比, 基于石墨烯应变效应组成的纳米电源系统是一种新的理论和机制[41]。这种新型纳米电源系统具有如下特点: 1)自身结构稳定。由于石墨烯碳原子间的连接极其柔韧, 当受到外力时, 二维碳原子平面发生变形, 使其不必重新排列来适应外力, 从而保证了自身的结构稳定性; 2)电源结构更为简单, 器件组装更为简捷, 结构稳定性和寿命更为长久等。该项研究将丰富纳米科技在纳米电源方向的研究思路和技术路线, 并将在微纳电子器件、光电子器件、生物传感器等方面具有广泛的应用前景。

图10 电流产生机制示意图[43]

Fig. 10 Working mechanism for the generation of streaming current [43]

4 总结

纳米电源的研发除了应对大规模的能源需求之外, 也影响着纳米系统、便携式电子器件等领域的发展。研发真正的可持续发展的自给自足的纳米电源系统对于传感、医疗科学、基础建设、环境监测、防御技术, 甚至个人电子产品而言是至关重要的。

经过近10年的研究, 我们对压电式纳米电源、摩擦式纳米电源以及石墨烯基纳米电源的工作原理

已经有了充分的认识, 部分纳米电源已经接近应用水平。未来一方面要致力于提高现有纳米电源的转化效率与稳定性, 另一方面通过开发新的纳米材料与纳米结构, 发现新的纳米效应和能量转换机制, 制备出新的纳米电源。相信在不久的将来, 纳米电源将在人们的日常生活和生产中扮演重要的角色。

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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

关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月,Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子,称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年,通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管;同年,Yacaman等以乙炔为碳源,用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

关于纳米材料和纳米结构的研究

关于纳米材料和纳米结构的研究 发表时间:2019-07-18T12:27:02.667Z 来源:《科技尚品》2018年第11期作者:于涵 [导读] 纳米材料问世后,各国科学家都开始对这种物质进行研究,国家关于纳米材料和纳米结构的研究也始终没有停止,现如今,中国在纳米材料和纳米结构方面的研究水平已经进入了国际先进行列。本文基于纳米材料和纳米结构,针对纳米材料在催化科学、分析分离科学、光电材料科学的应用展开了全面的分析。 宣化一中 引言:近年来,国际上关于纳米材料和纳米结构的研究不断发展,出现了很多新的研究热点,包括:半导体芯片、癌症诊断、光学材料等。随着研究的深入,未来将会有更多的纳米产品问世。将纳米材料和纳米结构和其他技术相结合,开拓新的思路,可以让纳米材料和纳米结构的适用性得到进一步提高。 一、纳米材料和纳米结构 纳米中主要包括两个部分,分别为:纳米晶粒和晶粒界面,晶界原子的比例极大是纳米最为突出的结构特征,此外,纳米晶界原子结构较为复杂,所以纳米中的晶界结构一直都是研究的重点,很多学者都提出了不同的模型学说,但纳米材料中的境界微观结构一直都没有形成一个统一的模型。不仅是因为晶界结构较为复杂,也是因为晶界结构会受到多种因素的影响,导致同一块材料中也会有不同的差异性。由于纳米结构上的特殊性和不稳定性,让纳米材料形成了很多的特殊性能。不仅如此,纳米材料的物理化学性能和绝大部分物体的物理化学特性都不同,其中最为典型的就是催化性能和光学性能这两个性能。比如,纳米材料在作为光催化剂使用时,因为纳米本身的粒径较小,所以可以到达表面的纳米粒子数量较多,光催化效率也就相对提高。随着时间的发展,科学技术的不断提升,对纳米的研究也就进一步深入,现如今,纳米材料中的线性光学性质以及晶体材料的光伏特性、发光效应也是纳米光学性质的研究热点问题。 二、纳米材料在不同科学行业中的应用 (一)纳米材料在催化科学中的应用 由上文可知,纳米材料的催化性能较优,因此在催化科学中得到了广泛的应用。近年来,含银催化剂在电催化水裂解、海水电解产氯气等方面都有着良好的应用,而采用海水电解产氯气的方式可以更好的减低能耗,这其中最为关键的环节就是制作合成出高效的含银催化剂[1]。采用自上而下的纳米颗粒制备方法,可以制作出一种稳定的银纳米颗粒,经过研究发现,这种纳米材料具有着较高的银卤素比例,应用在海水电解产氯气的过程中,可以有效催化氯气产生,而且这种纳米材料的催化活性较高。在调控催化纳米管时,也可以采用这种纳米材料,这种材料因其本身的性能较优,现如今已经在材料科学、传感器科学的研究中得到了广泛应用。(二)纳米材料在分析分离科学中应用 金纳米粒子作为纳米材料在分析分离科学中的应用效果一直较好,经常被用于检测物质,通过金纳米粒子的聚集和分散,观察体系溶液颜色的变化,就可以进行分析检测,这其中就利用了金纳米粒子的比色传感理论。此外,在传感领域也具有着一定的应用前景,将金纳米粒子和其他常见的应用物质进行结合,可以在分析分离科学中得到进一步的应用,从根本上提高检测结果的准确性。小分子凝胶是一种新型的功能材料,这种软材料可以利用分子间的相互作用,形成一个微纳米网络结构,根据分子在空间构型上的微小差别,会形成不同尺寸的微纳米网络结构。比如:检测二价汞离子的过程中,可以利用这种小分子凝胶体系进行灵敏检测,不仅如此,这种凝胶体系还可以检测水中汞离子。 (三)纳米材料在光电材料科学中应用 除了上述两个方面以外,纳米V型刚棒-线团分子以及双稳态功能轮烷分子梭在光电材料科学中都有着一定的应用。近几年,纳米材料在光电器材方面的应用得到了科研工作者的广泛关注,纳米材料在水中的自组装行为,在光电材料中科学、纳米材料科学、超分子化学以及主客体化学中都有着广泛的应用,利用这一性能形成的纳米V型刚棒-线团分子在水中就可以完成自组装行为。而稳态功能轮烷分子梭的设计和制备,在发展有机光电功能超分子体系中发挥着重要的作用。因此,在催化材料、光子晶体、药物控制输送等领域中都可以看见单分散核/壳纳米复合材料的身影,通过对具有单分散核/壳纳米复合材料性能的卟啉纳米金纳米粒子形成过程的研究,可以发现这种复合性的纳米粒子在构筑光电器件山发挥着重要的作用,且比其他复合材料具有着更大的光电流,光电性能也较为稳定。此外,这种复合材料的制备方法较为简单,生产便捷,因此大范围应用[2]。 总结:综上所述,纳米结构和纳米材料在科学行业中植根深远,在很多方面中都会发挥着重要的作用,作为一种市场前景广阔的新材料,国家应该进一步投入人力和资金展开研究,并且作为重点研究开发项目。二十一世纪,纳米技术会成为一种决定性技术,加强其在不同领域中的发展,可以推动国家科学领域的进步。 参考文献: [1]赵然. 博士论文-铀钍氧化物纳米材料和铀酰-异金属配位聚合物的合成、结构和性质研究[J]. 2016. [2]马佳文. 碳纳米材料与金属复合结构中空位缺陷产生和作用机制的理论研究[D]. 2016.

纳米材料的研究进展及其应用全解

纳米材料的研究进展及其应用 姓名:李若木 学号:115104000462 学院:电光院

1、纳米材料 1.1纳米材料的概念 纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1~100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型人介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著不同。 1.2纳米材料的发展 自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来,从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段: 第一阶段(1990年以前):主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体,研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能;研究对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1990~1994年):人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性,设计纳米复合材料,复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段(1994年至今):纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

2、纳米材料:石墨烯 2.1石墨烯的概念 石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。 另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体(monocrystalline silicon)高,而电阻率只约10-6 Ω·cm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料。 作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

纳米复合材料最新研究进展与发展趋势

智能复合材料最新研究进展与发展趋势 1.绪论 智能复合材料是一类能感知环境变化,通过自我判断得出结论,并自主执行相应指令的材料,仅能感知和判断但不能自主执行的材料也归入此范畴,通常称为机敏复合材料。智能复合材料由于具备了生命智能的三要素:感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤) 、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论) 和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性) ,集合了传感、控制和驱动功能,能适时感知和响应外界环境变化,作出判断,发出指令,并执行和完成动作,使材料具有类似生命的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力,是复合材料技术的重要发展。它兼具结构材料和功能材料的双重特性。 在一般工程结构领域,智能复合材料主要通过改变自身的力学特性和形状来实现结构性态的控制。具体说就是通过改变结构的刚度、频率、外形等方面的特性,来抑制振动、避免共振、改善局部性能、提高强度和韧性、优化外形、减少阻力等。在生物医学领域,智能复合材料可以用于制造生物替代材料和生物传感器。在航空航天领域,智能复合材料已实际应用于飞机制造业并取得了很好的效果,航天飞行器上也已经使用了具有自适应性能的智能复合材料。智能复合材料在土木工程领域中发展也十分迅速。如将纤维增强聚合物(FRP)与光纤光栅(OFBG)复合形成的FRP—OFBG 复合筋大大提高了光纤光栅的耐久性。将这种复合筋埋入混凝土中,可以有效地检测混凝土的裂纹和强度,而且它可以根据需要加工成任意尺寸,十分适于工业化生产。本文阐述了近年来发展起来的形状记忆、压电等几种智能复合材料与结构的研究和应用现状,同时展望了其应用前景。 2.形状记忆聚合物(Shape-Memory Polymer)智能复合材料的研究 形状记忆聚合物(SMP)是通过对聚合物进行分子组合和改性,使它们在一定条件下,被赋予一定的形状(起始态),当外部条件发生变化时,它可相应地改变形状并将其固定变形态。如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化,它们能可逆地恢复至起始态。至此,完成“记忆起始态→固定变形态→恢复起始态”的循环,聚合物的这种特性称为材料的记忆效应。形状记忆聚合物的形变量最大可为200%,是可变形飞行器

碳纳米管材料的研究现状及发展展望

碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要: 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能,具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词:碳纳米管;制备;性质;应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60);柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中,发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的,具有封闭球状结构的分子C60。(1996年获得诺贝尔化学奖) 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时,发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm,被称为Carbon nanotubes (CNTs); 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion); 2000年,北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管,发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月,日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员,利用一定能量的中子与C70分子相互作用,首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ,曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体,一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm,亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管(小于100 nm)和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为:(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构,直径在2—20nm之间),如C60,C70等;(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯(graphene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3.1电弧法

纳米材料和纳米结构

纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估 在进行纳米微粒尺寸的评估之前,首先说明如下几个基本概念: (1)关于颗粒及颗粒度的概念 (i)晶粒:是指单晶颗粒,即颗粒内为单相,无晶界。 (ii)一次颗粒:是指含有低气孔率的一种独立的粒子,颗粒内部可以有界面,例如相界、晶界等。 (iii)团聚体:是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体 和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。 (iv)二次颗粒:是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 纳米粒子一般指一次颗粒,它的结构可以是晶态、非晶态和准晶,可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时,微粒的粒径才与晶粒尺寸(晶粒度)相同。 (2)颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说,颗粒尺寸(粒径)是指其直径。对不规则颗粒,尺寸的定义常为等当直径,如体积等当直径、投影面积直径等。 粒径评估的方法很多,这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法 用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。 该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法,因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上,待悬浮液中的载液(例如乙醇)挥发后,放入电镜样品台,尽量多拍摄有代表性的电镜像,然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种:(i)交叉法:用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度,然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子(1.56)来获得平均粒径;(ii)测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度,颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。(iii)求出颗粒的粒径或等当半径,画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图,将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径,这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时,首先需用超声波分散法,使超微粉分散在载液中,有时候很难使它们全部分散成一次颗粒,特别是纳米粒子很难分散,结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体,在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性,这是因为电镜观察用的粉体是极少的,导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法(谢乐公式) 电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时,该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时,测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳

纳米材料的发展及研究现状

纳米材料的发展及研究现状 在充满生机的21世纪,信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求,元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小;航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新,以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域,纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象,也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来,纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如,存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘,成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器,价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件,用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世,充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。 纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次,是知识创新的源泉。由于纳米结构单

元的尺度(1~100urn)与物质中的许多特征长度,如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当,从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子,也不同于宏观物体,从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象,认识新规律,提出新概念,建立新理论,为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础,也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题;纳米结构设计,异质、异相和不同性质的纳米基元(零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝)的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点,人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术,带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究,在千年交替的关键时刻,迎接新的挑战,抓紧纳米材料和柏米结构的立项,迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代,纳米材料研究的内涵不断扩大,领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密,实验室成果的转化速度之快出乎人们预料,基

纳米结构与纳米材料25个题目+完整答案

1.什么是纳米材料?其内涵是什么?(从零、一、二、三维考虑) 2.纳米材料的四大效应是什么?对每一效应举例说明。 3.纳米材料的常用的表征方法有哪些? 4.用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品有哪些特定要求?从它们的图像中能够得到哪些基本信息? 5.纳米颗粒的高表面活性有何优缺点?如何利用? 6.在纳米颗粒的气相合成中涉及到哪些基本环节?气相合成大致可分为哪四种?气相成核理论的机制有哪两种? 7.溶胶-凝胶法制备纳米颗粒的基本过程是怎样的? 8.用溶胶-凝胶技术结合碳纳米管的生长机理,可获得密度不同的碳纳米管阵列(也叫纳米森林),简要阐述其主要步骤及如何控制碳纳米管的分布密度? 9.改变条件可制备不同晶粒大小的二氧化钛,下图分别为两种晶粒尺寸不同的二氧化钛的XRD图与比表面积数据。请用Scherrer 方程、BET比表面积分别估算这两种二氧化钛的晶粒尺寸(XRD测试时所用的 = 1.5406?,锐钛矿相二氧化钛的密度是3.84 g/cm3)(默写出公式并根据图中的数据来计算)。 10.氧化物或者氮化物纳米材料具有许多特殊的功能,请以一种氧化物或者氮化物为例,举出其三种主要的制备方法(用到的原料、反应介质、主要的表征手段)、主要用途(与纳米效应有关的用途)、并介绍这种物质的至少两种晶相。 11.举出五种碳的纳米材料,阐述其一维材料与二维材料的结构特点、用途。 12.简述纳米材料的力学性能、热学性能与光学性能有怎样的变化? 13.什么叫化学气相沉积法,它与外场结合又可衍生出哪些方法?简述VLS机制。 14.纳米半导体颗粒具有光催化性能的主要原因是什么?光催化有哪些具体应用 15.利用机械球磨法制备纳米颗粒的主要机制是什么?有何优、缺点? 16 何为“自催化VLS生长”?怎样利用自催化VLS生长实现纳米线的掺杂? 17.液相合成金属纳米线,加入包络剂(capping reagent)的作用是什么? 18.何为纳米材料的模板法合成?它由哪些优点?合成一维纳米材料的模板有哪些? 19.试结合工艺流程图分别说明氧化铝模板的制备过程以及氧化铝模板合成纳米线阵列的过程 20.从力学特性、电学特性和化学特性来阐述碳纳米管的性质,它有哪些主要的应用前景? 21.如何提高传统光刻技术中曝光系统的分辩率? 22.试比较电子束刻蚀和离子束刻蚀技术的异同点和优缺点。 23.比较极紫外光刻技术和X射线光刻技术的异同。 24.何为纳米材料的自组装?用于制备纳米结构的微乳液体系一般有几个组成部分? 25 何谓“取向搭接Oriented attachment”“奥斯德瓦尔德熟化Ostwald ripening”?

纳米材料研究进展

2011年第4期甘肃石油和化工2011年12月 纳米材料研究进展 李彦菊1,高飞2 (1.河北科技大学化学与制药工程学院,河北石家庄050018; 2.中核第四研究设计工程有限公司,河北石家庄050000) 摘要:纳米材料具有的独特的物理和化学性质,使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。综述了纳米材料 的分类、特性以及应用领域。 关键词:纳米材料;功能材料;复合材料 1前言 纳米(nm)是一个极小的长度单位,1nm=10-9m。当物质到纳米尺度以后,大约是在1~100nm 这个范围空间,物质的性能就会发生突变,呈现出特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。纳米技术正是利用纳米粒子这些特性实现其在各行各业中的特殊应用[1,2]。纳米技术和纳米材料的科学价值和应用前景已逐步被人们所认识,纳米科学与技术被认为是21世纪的三大科技之一。目前世界各国都对纳米材料和纳米科技高度重视,纷纷在基础研究和应用研究领域对其进行前瞻性的部署,旨在占领战略制高点,提升未来10~20年在国际上的竞争地位。我国政府对纳米科技十分重视,先进的纳米产业正在蓬勃发展[3,4]。 2纳米材料的分类 以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代,它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1~100nm[5]。在纳米材料发展初期,纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。广义而言,纳米材料是指在3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材料。如果按维数[6],纳米材料的基本单元可以分为3类:①0维,指在空间3维尺度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒,原子团簇等;②1维,指在空间有两维处于纳米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等; ③2维,指在3维空间中有1维在纳米尺度,如超薄膜、多层膜、超晶格等。按化学组成可分为:纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料[7,8]。按材料物性可分为:纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。纳米材料大部分都是人工制备的,属于人工材料,但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。例如天体的陨石碎片,人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的[9,10]。 3纳米材料的特性[11,12] 3.1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(表面体 收稿日期:2011-07-05 作者简介:李彦菊(1981-),女,河北廊坊人,硕士,已发表论文10余篇,其中SCI2篇。主要从事纳米材料的研究工作。8

碳纳米管的研究进展

碳纳米管的研究进展* 王全杰1,2** 王延青1*** (1. 陕西科技大学资源与环境学院,陕西 西安 710021;2. 烟台大学化学生物理工学院, 山东 烟台 264005) 摘要:碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料,拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。 关键词:碳纳米管;合成;性能;纯化;应用 中图分类号G 311 文献标识码 A Progress of Research for Carbon Nanotubes Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1 (1.College of Resource and Environment,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China;2. Chemistry and Biology College,Yantai University,Yantai 264005,China)Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed. Key words: carbon nanotubes;synthesis;property;purification;application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs),1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后,其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能,在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。 *基金来源:山东省科技攻关项目(2008GG10003020) **第一作者简介:王全杰,男,1950年生,教授 ***通讯联系人

金属纳米材料研究进展

高等物理化学 学生姓名:聂荣健 学号:…………….. 学院:化工学院 专业:应用化学 指导教师:………….

金属氧化物纳米材料研究进展 应用化学专业聂荣健学号:……指导老师:…… 摘要:综述了近年来金属氧化物纳米材料水热合成方法的研究进展,简要阐述了金属氧化物纳米材料的应用,对其今后的研究发展方向进行了展望。 关键词: 纳米材料水热合成金属氧化物

Research progress of metal oxide nanomaterials Name Rongjian Nie Abstract: This article reviews the recent progress in hydrothermal synthesis of metal oxide nanomaterials. The application progress of metal oxide nanomaterials is briefly describrd.The future research directions are prospected. Keywords: nanomaterials; hydrothermal; metal oxides ;

引言 纳米材料是纳米科学中的一个重要的研究发展方向,近年来已在许多科学领域引起了广泛的重视,成为材料科学研究的热点。作为纳米材料的一个方面,金属氧化物纳米材料在现代工业、国防和高技术发展中充当着重要的角色。 1.纳米材料简介 1.1 纳米材料概述 纳米是长度的度量单位,1纳米=10-9米,1纳米大约为10个氢原子并排起来的长度,仅仅相当于一根头发丝直径的0.1%。纳米材料则是在纳米量级(lnm-100nm)内调控物质结构所制成的具有特殊功能的新材料,其三维尺寸中至少有一维小于100nm,且性质不同于一般的块体材料。 纳米材料是指在三维尺度上至少存在一维处于纳米量级或者由它们作为基本单元所构成的材料,一般将纳米材料分为零维、一维以及二维纳米材料: (1)零维纳米材料,是指在空间三维尺度上都处于纳米量级的纳米材料,如纳米球,纳米颗粒等; (2)一维纳米材料,是指在空间三维尺度上只有两维处于纳米量级,而第三维处于宏观量级的纳米材料,比如纳米棒、纳米管、纳米线/丝等; (3)二维纳米材料,是指在空间三维尺度上只有一维处于纳米量级,而其他两维处于宏观量级的纳米材料,比如纳米片,纳米薄膜等。 1.2纳米粒子基本效应的研究 纳米粒子是尺寸为1-100nm的超细粒子。纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着粒径的减小而急剧增大,显示出强烈的体积效应(即小尺寸效应)、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。 1.2.1 量子尺寸效应[1] 当粒子尺寸达到纳米量级时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。能带理论表明:金属纳米粒子所包含的原子数有限,能级间距发生分裂。当此能级间隔大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时,纳米粒子的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观物体有显著的不同。 1.2.2 体积效应[2] 由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为体积效应。当纳米粒子的尺寸与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;非晶态纳米粒子的表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的体积效应。例如:磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变;光吸收显著增加;声子谱发生改变;强磁性纳米粒子(Fe-Co合金,氧化铁等)尺寸为单磁畴临界尺寸时具有很高的矫顽力;纳米粒子的熔点远远低于块状金属;等离子体共振频率随颗粒尺寸改变[3]。 1.2.3 表面效应[4] 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒径减小而急剧增大后引起的性质上改变。随着粒径减小,表面原子数迅速增加,粒子的表面张力和表面能增加。原子配位不足以及高的表面能使原子表面有很高的化学活性,极不稳定,很容易与其他原子结合,这就是活性的原因。表面原子的活性引起了纳米粒子表面输运和构型的变化,也引起了表面原子自旋构象和电子能谱的变化。

纳米材料国内外研究进展

纳米材料国内外研究进展 一、前言 从人类认识世界的精度来看,人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)[1]。自20世纪80年代初, 德国科学家 Gleiter[2]提出“纳米晶体材料”的概念,随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1~100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲,则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)[3]。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次,是交叉学科跨世纪的战略科技领域。 二、国内外研究现状 1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料, 同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议, 使纳米材料成为世界性的热点之一;1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议, 标志着纳米科技的正式诞生;l994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议,表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。近年来,世界各国先后对纳米材料给予了极大的关注,对纳米材料的结构与性能、制备技术以及应用前景进行了广泛而深入的研究,并纷纷将其列人近期高科技开发项目。2004年度纳米科技研发预算近8.5亿美元,2005年预算已达到10亿美元,而且在美国该年度预算的优先选择领域中,纳米名列第二位。现在美国对纳米技术的投资约占世界总量的二分之一[4]。 自70年代纳米颗粒材料问世以来,80年代中期在实验室合成了纳米块体材料, 至今已有 30多年的历史, 但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在 80年代中期以后。因此 ,从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段[5]。 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索,用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复

纳米材料综述要点

纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位,1纳米=1×10-9米,即1米的十亿分之一,单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术,是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用,并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子,制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段: 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段,合成纳米块体(包括薄膜,研究评估表征的方法,探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年~1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料: ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合, ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合, ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同,它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。

图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成,也正因为这样,纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如:其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等,这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题,可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低,位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大,所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生,这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史,由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时,其韧性、强度、硬度大幅提高,使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值,这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用,从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变(SIMIT)。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点,有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管,表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性,成

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