纳米功能材料读书报告.docx
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纳米功能材料读书报告
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材料科学与工程学院
功能材料读书报告
题目：
纳米材料特性及制备方法研究进展
老师：
XXX
学生：
XXX
学号：
XXX
班级：
材料XX班
2011年12月22日
纳米材料特性及制备方法研究进展与现状
ThepropertiesofNanometerMaterialandPresentResearchProgressofthePreparationMethod
xx
（材料xx，学号xxxxxx，西南科技大学，四川绵阳621000）
摘要：
纳米科技是上世纪90年代开始兴起的一项前沿科学技术领域，因其独特的物理化学性质和广泛的应用前景，极有可能发展为第四次科技革命。
本文就纳米材料的基本性质、纳米材料的分类及其制备方法做一综述。
关键词：
纳米材料；制备方法；效应
Abstract:
Thenanometertechnologyisafrontierareaofscienceandtechnologybeginsinthe90scentury,andbecauseofitsuniquephysicalandchemicalpropertiesandwideapplicationprospect,itislikelytodevelopintothefourthrevolutionofscienceandtechnology.Inthispaper,thebasicproperties,classificationandpreparationmethodofnanometermaterialisappliedtothereview.
Keywords:
nanometermaterial;preparationmethod;effect
0引言
1990年7月的第一届国际纳米科技技术大会的成功举行标志着纳米科技的正式诞生[1]。
纳米科技作为一项新兴的多学科交叉科学开始得到世界范围的关注，成为研究的热点。
纳米科技在纳米尺度（1-100纳米）研究物质的物理化学性质和特性以及其相互作用，在这样的尺度范围内，物质表现出量子尺寸效应，表面效应，库伦阻塞效应和量子隧穿效应，使得物质的许多性质发生改变，出现许多宏观物质或单个原子或分子不同的现象。
纳米科技利用这种特殊的效应，制造出具有特定功能的物品，最后能够做到按照人类期望合成制备满足不同需要的产品。
1982年发明的扫描隧道显微镜极大地推动了纳米科技的发展。
1990年美国科学家利用氙原子排列出“IBM”字样，我国也成功操纵原子写出“中国”两字，标志着我国在纳米研究领域也占有一席之地。
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（10-9m）的超细材料。
但是目前的应用范围大大扩展，1-100纳米的尺度范围只是一种狭义的定义，大至几百纳米甚至微米级的微粒同样具有相同的特殊性能，此类材料都可以成为纳米材料。
纳米材料可分为零维纳米材料（纳米微粒，原子团簇）、一维纳米材料（纳米单层或多层薄膜）、二维纳米纤维结构和三维纳米相材料。
合成纳米材料的方法可分为液相法、气相法、固相法，以及模板法、超声电化学法、激光法等。
纳米材料的特殊性能在电子、光学、磁学器件、环境检测、医学等领域都具有很大的应用前景。
下面就纳米材料的特性和合成方法做一个简单的介绍。
1纳米材料的特殊性质
1.1量子尺寸效应[2]
纳米材料中的电子能级分布不同于宏观物体的电子能级分布。
在纳米材料中至少有一个维度是纳米尺度，在这个维度的电子被限制在无限深的势阱中，电子能级变为分立的束缚能级，且能级间隙变宽，表现出量子尺寸效应。
在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性表现出光学的非线性,特异的催化和光催化等性质。
当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时,晶体周期性边界条件将被破坏,非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小,导致声、光、电、磁、热、力等特性都出现异常。
1.2小尺寸效应
所谓量变引起质变，由于纳米颗粒体积极小，所包含的原子数目也极少，由于其极少的原子数目而表现出于宏观物体所不同的物理性质，这种现象即称为小尺寸效应[3]。
由其极小尺寸而具有的极大的比表面积使得材料的力、热、声、光、电、磁和化学催化特性发生很大变化。
具体如下：
（1）力学性能
纳米颗粒构成的固体，界面增大，原子易于迁移因而能够很大程度的变形，使材料的延展性和韧性极大的增强。
一个例子是纳米陶瓷，传统的陶瓷呈现脆性，而纳米陶瓷却呈现韧性，纳米铜的延展性也比传统材料大几倍，而纳米铁的断裂强度甚至能大12倍之多。
（2）热学性能
宏观晶体的熔点是固定的，但是纳米颗粒的熔点却显著降低，主要原因是纳米颗粒的比表面积大得多，颗粒处于高能状态，故熔化时所需的内能相比块状材料小得多。
举例说明，块状金的熔点是1064℃，而2纳米的金颗粒的熔点只有327℃。
利用这个特点可以进行超细粉的低温烧结。
（3）光学性能
在超细状态下，很多材料的颜色和块状相比呈现显著的不同。
纳米颗粒的尺度和光波的尺度相近，在这个尺度上，纳米颗粒对光波有很强的吸收。
利用这个特性可以制备高性能的光电转换材料。
（4）电学、磁学性能
当纳米粒子的尺寸和电子的德布罗意波长相当时，材料的电学和磁学性能也会发生很大的变化。
比如利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质,改变颗粒尺寸,控制吸收边的位移,制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料,用于电磁波屏蔽和制造隐型飞机。
1.3表面效应
纳米颗粒的比表面积随着尺寸的减少而增大，颗粒的表面能和表面张力等性能也将发生变化，产生表面效应[4]。
表面的原子不对称、不饱和，具有很高的表面能和活性。
但是正是由于其具有的大表面能而使得纳米颗粒容易团聚并且容易氧化燃烧甚至爆炸。
故对纳米颗粒的表面改性使其稳定性增强是很重要的。
1.4库仑阻塞效应
库仑阻塞效应是电子在纳米尺度的导电物质间移动式出现的一种极其重要的物理现象。
当一个物理体系的尺寸达到纳米量级时，电容也会小到一定程度，以至该体系的充电和放电过程不连续，使得在纳米体系中的充放电过程只能是一个一个单电子的传输，产生库仑阻塞效应。
利用这种效应为单电子开关，单电子数字存储器的开发研究提供了可能[5]。
1.5量子隧穿效应
如果两个纳米颗粒不相连，则电子从一个颗粒运动到另一个颗粒的时候就会像穿越隧道一样。
若电子的隧道穿越是一个个的发生，在电压电流关系图上就会出现台阶一样的曲线，这就是量子隧穿效应[6]，在微电子领域已经取得了很大的研究进展，如单电子晶体管、纳米单电子内存组件、量子阱共振隧穿二极管的开发等，在超大规模集成电路的研究上也具有重大意义。
正是由于纳米材料具有上面的效应，才使它表现出令人难以置信的奇特的宏观物理特性如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热容和低熔点、异常的导电率和磁化率、极强的吸波性、高扩散性等。
其特殊的性能也使得人们争相研究各种制备纳米材料的方法，以下对各种制备方法做一个简单的介绍。
2纳米材料的制备方法
2.1气相法
此种方法将物质变为气体，使材料在气态下发生物理化学变化，最后得到纳米微粒。
分为物理气相沉积法和化学气相沉积法。
物理气相沉积法主要分为气体蒸发法、溅射法，化学气相沉积法分为化学气相反应法和化学气相凝聚法。
具体分类如下。
2.1.1气体冷凝法
气体冷凝法[7]是在1963年由RyoziUyeda及其合作者提出的，即通过在纯净的惰性气体（氩，氮气）中蒸发和冷凝过程获得纳米微粒。
20世纪80年代初，Gleiter等人提出将该方法制备的纳米微粒在超高真空条件下紧压致密得到多晶体，进一步完善了该方法。
该方法具有纯度高、结晶组织好、粒度可控等优点，但也存在技术设备要求高的缺陷。
其主要过程为：
在真空蒸发室内充入低压惰性气体，将原料加热蒸发，产生原子雾，与惰性气体原子碰撞而失去能量，然后凝聚形成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷棒上聚集起来，将聚集的粉状颗粒刮下，传送至真空压实装置，在数百至几GPa压力下制成多晶体。
2.1.2激光气相合成法
该种方法最早是20世纪80年代初由美国Hagery等人[8]首先提出。
该种方法是利用气相高能激光束来制备纳米粉体的一种有效方法，又分为激光蒸发、激光溅射和激光气相合成法。
主要用来制备金属、非金属及氧化物陶瓷纳米粉体材料。
目前用该法已合成出一批具有颗粒粒径小、不团聚、粒径分布窄等优点的超细粉。
该法产率高，是一种可行的方法，具有工业化应用前景。
2.1.3低能团簇束沉积法
该技术由PaiUard等人于1994年初发展起来的。
首先将所要沉积的材料激发成原子状态，以氦气作为载体使之形成团簇，同时采用电子束使团簇离化，然后利用飞行时间质谱仪进行分离，从而控制一定质量、一定能量的团簇束沉积而形成薄膜。
此法可有效控制沉积在衬底上的原子数目。
2.1.4溅射法
该法是用两块金属作为阳极和阴极，阴极是蒸发用的材料。
制备时，在两极间充入惰性气体（常用氩气），其压力在40～250Pa之间，两电极间施加的电压范围为0.3-1.5V。
两极间辉光放电产生氩离子，在电场的作用下，氩离子冲击阴极表面，使原子从表面蒸发出来形成超微粒子，并在附着表面上沉积下来。
2.1.5化学气相沉积法
利用气态物质在一定温度和压力下，在固体表面进行反应，生成固态沉积物，首先生成纳米粒子，继而生成纳米薄膜。
此种方法广泛用于物质的提纯，研制新晶体，沉积各种单晶，多晶或者玻璃态无机薄膜。
对设备和原料的要求较高。
分为化学气相反应法和化学气相凝聚法。
化学气相反应法是利用挥发性的金属化合物的蒸汽，通过化学反应生成所需的化合物，在保护气体的环境下快速冷凝，从而制备各种物质的纳米颗粒。
这种方法得到的纳米颗粒均匀，纯度高，粒度小，分散性好，化学反应活性高，并且工艺可控，过程连续。
化学气相凝聚法是利用气相原料在气相中通过化学反应形成基本粒子，并在衬底进行冷凝和聚合，生成纳米粒子。
可视为CVD法的冷壁反应，而化学气相反应法属于热壁反应。
2.2液相法
2.2.1溶胶-凝胶法[9]
利用金属醇盐或无机盐类的水解或者聚合反应形成均匀溶胶，再使溶质聚合浓缩成透明凝胶，经过凝胶干燥、热处理等可以得到氧化物、金属单质等纳米材料，该法称之为溶胶-凝胶法。
溶胶-凝胶法制备纳米粉体的工作开始于20世纪60年代，可以制备一系列纳米氧化物、复合氧化物、金属单质及金属薄膜等。
近年来，用此法制备纳米微粒、纳米薄膜、纳米复合材料及纳米矩阵等的报道很多。
此法的优点有：
粒度小、制品纯、温度低（可以比传统方法低400-500℃），过程易控制；从同一原料开始，改变工艺过程可获得不同的制品；制品粒径小、颗粒分布均匀、团聚少、介电性能较好。
但是采用金属醇盐作原料，成本高，排放物对环境有污染。
而且无机材料的制备大多要经过高温的退火处理，而溶胶-凝胶法的优点之一是可以大大降低合成温度，加上溶胶-凝胶法温和的反应条件，使该法成为制备有机-无机纳米复合材料的最有效方法之一。
2.2.2化学沉淀法
在含有一种或者多种金属离子的溶液中，加入沉淀剂，或于一定温度下使溶液水解，形成不溶性氢氧化物，水和氧化物或者盐类从溶液中析出，然后经过洗涤、热分解、脱水等得到纳米氧化物或复合化合物的方法。
该方法是最常见的一种制备方法，分为直接沉淀法和共沉淀法，直接沉淀法是利用金属醇化物在醇中溶解的性质制成醇盐的醇溶液，然后加水分解生成纳米级的氧化物或者复合氧化物粒子。
含有多种金属阳离子的溶液中加入沉淀剂后，离子得以全部沉淀的方法称为共沉淀法。
该方法设备简单，工艺易于控制，但制备出的颗粒较大，纯度低。
2.2.3微乳液法[10]
微乳液法利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一种均匀的乳泡，剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中形成一个微泡，微泡表面由表面活性剂组成，从微泡中生成固相可使成核、生长、凝结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，从而形成球形颗粒，又避免了颗粒之间的进一步团聚。
该法制品粒径小，单分散性好，试验操作简单、易操作。
2.2.4水热合成法
该法是在高温高压下的水溶液或蒸汽等流体中，使物质进行反应，再经分离和热处理而合成纳米粒子。
是一种高效的纳米材料合成方法，有合成温度低，条件温和，体系稳定，制品纯度高、分散性好、粒度分布窄等优点。
2.2.5原位生成法
是制备纳米复合材料的重要方法之一。
无机粒子在反应中原位生成，而聚合物基质可以预先制备，也可以在复合过程中形成。
例如，将水溶性聚合物与金属离子螯合后，用还原剂还原金属离子，便可以原位制得纳米复合材料。
2.3固相法
2.3.1机械球磨法[11]
机械球磨法是近年来发展起来的制备纳米材料的一种新方法。
此法以粉碎与研磨相结合来实现材料粉末的纳米化，即利用球磨机的转动或震动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎成纳米微粒。
适当控制机械球磨法的条件，可以得到纯元素、合金或复合材料的纳米超微颗粒。
机械球磨法的优点是操作工艺简单，成本低廉，制备效率高，能够制备出常规方法难以获得的高熔点金属合金纳米超微颗粒，其缺点是颗粒分布不均匀，纯度较低。
2.3.2离子注入法
离子注入法已经应用于半导体、金属盒绝缘体等领域。
离子注入法通过静电加速器将具有一定能量的离子嵌在某个与它固相不相溶的衬底上，再经过加热退火处理，使其偏析出来，形成纳米颗粒。
随着注入剂量的变化，形成的纳米粒子大小也会相应的发生变化。
目前，离子注入法已经在制备分离的纳米粒子、合金纳米粒子、核壳结构纳米粒子、半导体量子点、磁性纳米颗粒、固相惰性气体元素纳米颗粒等多方面取得了进展。
2.3.3原子排布法
原子排布法能够按照人们的要求排布出需要的物质，是一种理想化的终极生产方式。
目前人们已经能够做到少数原子的排列操作，但效率很低，远远达不到想要的效果，这方面的研究还在继续。
目前对原子进行排布的有力工具是扫描隧道显微镜，不仅可以实现一个平面上的原子的排布操作，还可以进行三维的立体搬迁。
但要想达到原子排布生产物质的目标，仍然需要漫长的研究。
2.4其他综合制备方法简介
2.4.1超声波法[12]
2.4.1.1超声波雾化法
超声雾化利用了超声波的高能分散机制。
将超细粉末目标物的前驱体溶解于特定溶剂中配成一定浓度的母液，然后经过超声雾化器产生微米级的雾滴并被载气带入高温反应器中发生热分解，从而可得到均匀粒径的超细粉体材料，材料颗粒的大小,可以通过母液浓度的调整得到方便地控制。
2.4.1.2超声波-化学沉淀法
利用化学沉淀反应制备纳米材料，关键是要通过控制反应条件，使新的沉淀相易于生成，难于长大，并且对于已经长大的颗粒还能通过机械方法使之破碎。
用功率超声辐照高分子溶液，高分子的链长和分子量的分布变得更为均匀，表明超声空化所产生的冲击波具有剪切作用，且优先切断长链分子，这种作用对于制备颗粒均匀的纳米材料是有利的,故超声波和化学沉淀法的结合将使制得的纳米材料性能更加优越，生产效率也更高。
2.4.1.3超声波-电化学法
超声电化学制备金属纳米材料有许多优点：
操作温度低、环境友好、时间短，通过调节电流密度、离子浓度、超声强度等来控制金属纳米粒子的形状和尺寸。
主要经过两个步骤：
1）在通过电流时，金属离子在电极上还原，形成很薄的一层金属粒子；2）电极表面的金属粒子薄层在超声波的作用下从电极表面脱落下来形成粒子悬浮在溶液中。
很多制得的材料呈现多孔形状，这种多孔状纳米结构形成与超声波的辐射有关：
超声波的辐射会在溶液中产生超声空化现象，空化气泡的破裂会产生瞬间的超高温和超高压。
由于超声空化作用，沉积的金属核形成初级纳米微粒然后散布在溶液中，并逐步聚集融合形成相当稳定的二级粒子，二级粒子由于超声辐射而具有多孔结构。
2.4.2微波法
微波是一种电磁波，其加热简单、快速、均匀而且节能，更为特殊的是微波加热有着和普通加热不同的特点，能加速反应。
因此，微波技术作为绿色纳米合成技术的一种手段被应用于纳米材料的制备具有很大的发展空间。
利用微波技术制备的纳米材料，反应的时间较短（几分钟到十几分钟），产物的纯度很高。
随着研究的深入微波技术应用必将被推广到合成纳米-半导体材料工业化大生产中。
2.4.3激光烧蚀法[13]
激光束具有高能且非接触的优点，是一种干净的绿色热源，激光烧蚀法已被用来制备纳米粉末和薄膜。
一般的报道是激光烧蚀发生在气固表面，利用一束高能脉冲激光辐射靶材表面，使其表面迅速加热融化蒸发，随后冷却。
有人用金和银在水、乙醇和正己烷中激光烧蚀制得了含有粒径为12～20nm纳米金属粒子的溶胶。
若在氯仿中烧蚀得到却是合金材料，这与烧蚀过程中生成金属氯化物有关。
2.4.4模板法
模板技术[14]是指采用具有纳米孔道的基质材料中的空隙作为模板，从而进行纳米材料的合成。
模板可以分为硬模板和软模板两类。
常见用于合成的模板有多孔玻璃、分子筛、大孔离子交换树脂、高分子化合物以及表面活性剂等。
根据所用模板中微的类型，可以合成出诸如粒状、管状、线状和层状结构的材料。
高分子模板和表面活性剂模板具有模板类型可调的特点，通过改变溶液类型、浓度或配比，可以实现多种纳米材料如纳米颗粒、纳米线以及纳米介孔材料的合成。
2.4.5自组装
所谓自组装是利用分子之间的相互作用，如静电力、氢键以及疏水作用等组装成有序纳米结构的过程。
利用自组装技术，可以从分子水平上控制粒子的形状、尺寸、取向和结构。
如LB膜技术便是利用了两亲分子在气-液界面上的定向吸附，再转移到固体载片上形成无机-有机纳米复合材料。
此外，表面活性分子在溶液中的自组装行为及一些特殊结构的共聚物的自组装行为是近年以来所谓仿生合成的研究的热点。
3结语
纳米材料所体现出的特殊性质使得它在很多领域都有重要应用。
在微电子领域，高密度纳米电路、分子开关、纳米压印技术、分子电子晶片、单电子晶体管、高性能电容器、单电子存储器的研究已经取得很多成果；在光学领域，量子点发射装置、一维纳米材料有序阵列光发射装置、光过滤器、光子晶体管等也取得可喜的成绩；在磁学领域，纳米结构磁盘的存储密度已经可以达到传统磁盘的10000倍；在医学领域，零维纳米材料量子点的应用也已经逐渐开始，在细胞标记、靶向治疗疾病、体内成像和生物传感器领域都有重要研究意义。
作为一种新兴的发展时间不长的技术，纳米技术必将有着更加辉煌的发展前景。
有迹象表明，纳米技术有可能成为可以与前三次科技革命相提并论的技术革命，纳米技术和20世纪60年代开始的计算机信息时代一样也会具有改变人类生活方式，极大改善人类生活质量的能力。
纳米技术涉及到凝聚态物理、量子力学、材料科学、胶体化学、物理化学、高分子化学、生物化学、微电子技术等多领域的知识，这些领域的发展情况对纳米技术的发展影响重大。
所以，对于纳米材料的发展向前，对多学科的综合了解和掌握是很重要的。
纳米材料的制备按照不同的分类方法可以有物理化学法以及气相、液相、固相法等，这些方法是纳米材料发展仅仅十几年的成果综合，但目前还存在诸如产量、质量、环境潜在污染等各方面的问题，还不能完全按照人们的愿望生产出符合要求的具有各种特性的产品。
但我们有理由相信，现在的纳米技术只是揭开了冰山一角，而进一步的研究也必须大力开展，第四次科技革命的称号也才能实至名归。
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