高三物理纳米材料及其应用 .ppt

高三物理纳米材料及其应用 第一页，共二十八页，2022年，8月28日 第四篇 纳米材料及其应用更多资源 第二页，共二十八页，2022年，8月28日 第四篇 纳米材料及其应用 纳米材料科学——对介于团簇和亚微米级体系之间1—100nm微小体系的制备及其特性的研究的一个分支学科。 1990年7月在美国巴尔基摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个分支公布于世。纳米材料科学的诞生标志着材料科学已经进入了一个新的层次。 第三页，共二十八页，2022年，8月28日 第四篇 纳米材料及其应用一、纳米微细材料的工艺方法二、纳米材料的量子效应三、纳米材料的热学特性四、纳米材料的磁学特性五、纳米材料的光学特性六、纳米微粒的分析和测量七、纳米材料的应用第四页，共二十八页，2022年，8月28日 一、纳米微细材料制造的工艺方法 1、激光诱导化学气相沉积法 （LICVD） 基本原理——利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导合成，在一定工艺条件下，获得纳米微粒。 优点——表面清洁、纳米微粒大小可精确控制、无粘结、粒度分布均匀。第五页，共二十八页，2022年，8月28日 2、低温等离子体增强化学气相沉积法（PECVD） 基础——化学气相沉积法 原理——由于等离子体是不等温系统，其中“电子气”具有比中性粒子和正离子大得多的平均能量；电子的能量足以使气体分子的化学键断裂，并导致化学活性高的粒子（离子、活化分子等基团）的产生。即，反应气体的化学键在低温下就可以被分解，从而实现高温材料的低温合成。第六页，共二十八页，2022年，8月28日 1、微波源2、真空系统3、励磁系统4、配气系统5、反应室6、基片加热 系统第七页，共二十八页，2022年，8月28日 低温等离子体增强化学气相沉淀技术的优点：① 运行气压低。 等离子体密度高。 无内电极放电，杂质少，污染小。 微波能量转换率高，达95%。 离子能量低。 可稳态运行，参数易于控制。 速率高、纳米材料纯度高。 提高了反应物的活性。 有良好的各向异性刻蚀性能。第八页，共二十八页，2022年，8月28日 3、液相法制备纳米材料 化学共沉淀是利用各种组分元素的可溶性盐类，把它们按一定的比例配制成液体，然后加入沉降剂，如 、 等，使得各种组分元素共同形成沉淀，并通过控制溶液浓度、PH值等来控制形成沉淀粉体的性能。最后经过过滤、洗涤，对沉淀物进行加热分解，得到各种组分元素的氧化物均匀复合粉体。氧化锌纳米粉体的制备过程如图所示。第九页，共二十八页，2022年，8月28日 第十页，共二十八页，2022年，8月28日 二、纳米材料的量子效应 1、量子尺寸效应 以下两种情形均称为量子尺寸效应： 一是纳米粒子尺寸小到某一值时，在费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象； 二是纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能级间隔变宽现象。 第十一页，共二十八页，2022年，8月28日 当能级间隔大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，就必须要考虑量子尺寸效应。 量子尺寸效应导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。 例如，当温度为1K时， Ag纳米微粒粒径< 14nm时，Ag纳米微粒变为金属绝缘体。第十二页，共二十八页，2022年，8月28日 2、小尺寸效应 当超细微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；非晶态纳米微粒的颗粒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变化，称为小尺寸效应。 例如，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态转变；超导相向正常相的转变；声子谱发生改变等。第十三页，共二十八页，2022年，8月28日 三、纳米材料的热学特性纳米微粒的熔点、烧结温度和晶化温度均 比常规粉体低得多。这是纳米微粒量子效应造成的。第十四页，共二十八页，2022年，8月28日 四、纳米材料的磁学特性 纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应，使其具有常规粗晶材料不具备的磁特性。 主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁化率。 第十五页，共