纳米材料的形貌控制
摘 要
形貌及尺寸规整可控的纳米晶体的合成是目前十分引人注目的纳米材料研究领域。制备合成中的形貌调控及其功能化是这些纳米材料能够得到应用的关键问题。研究者们希望在纳米晶的任一阶段均能实现控制并在期望的阶段停止，从而得到尺寸、形态、结构及组成确定的纳米晶体。
本文对纳米材料的基本概念、纳米材料的分类和纳米材料的合成方法以及纳米技术应用状况作了介绍，并基于晶核的生成、晶核进化为晶种以及晶种生长为晶体三个阶段，论述了各种在纳米材料的合成过程中，从热力学和动力学方面如何调控晶体形貌。探索纳米粒子的调控合成对于纳米材料的规模化生产及应用具有重要的理论价值和指导意义。
关键词：纳米材料，晶核，晶种，形貌控制
目 录
1 前言 ........................................................................................................................................ 1 2 纳米材料的简介 .................................................................................................................... 1
2.1 纳米材料的概念 .......................................................................................................... 1 2.2 纳米材料的研究历史 .................................................................................................. 2 2.3 纳米材料的分类 .......................................................................................................... 2 2.4 纳米材料的基本特性 .................................................................................................. 4
2.4.1 量子尺寸效应 .................................................................................................... 4 2.4.2 表面效应 ............................................................................................................ 4 2.4.3 宏观量子隧道效应 ............................................................................................ 5 2.4.4 小尺寸效应 ........................................................................................................ 5 2.4.5 介电限域效应 .................................................................................................... 5 2.5 纳米材料的物理与化学特性 ...................................................................................... 6
2.5.1 物理特性 ............................................................................................................ 6 2.5.2 化学特性 ............................................................................................................ 8 3 纳米材料的制备方法 ............................................................................................................ 9
3.1 物理方法 ...................................................................................................................... 9
3.1.1 气体蒸发法 ........................................................................................................ 9 3.1.2 真空冷凝法 ........................................................................................................ 9 3.1.3 物理粉碎法 ........................................................................................................ 9 3.1.4 机械球磨法 ........................................................................................................ 9 3.1.5 溅射法 .............................................................................................................. 10 3.2 化学方法 .................................................................................................................... 10
3.2.1 气相反应法 ...................................................................................................... 10 3.2.2 沉淀法 .............................................................................................................. 10 3.2.3 水热反应法 ...................................................................................................... 11 3.2.4 溶胶-凝胶法 ..................................................................................................... 11 3.2.5 微乳液法 .......................................................................................................... 11 3.2.6 醇盐分解法 ...................................................................................................... 12 3.2.7 喷雾热解法 ...................................................................................................... 12 3.2.8 化学还原法 ...................................................................................................... 12 4 纳米材料的形貌控制 .......................................................................................................... 13
4.1 纳米材料形貌研究的意义及进展 ............................................................................ 13 4.2 纳米材料形貌控制主要机理 .................................................................................... 13 4.3纳米粒子合成的动力学过程分析 ............................................................................. 13
4.3.1 成核阶段的控制 .............................................................................................. 14 4.3.2 生长阶段的控制 .............................................................................................. 16 4.3.3 熟化过程的控制 .............................................................................................. 17
4.4纳米粒子合成的热力学过程分析 ............................................................................. 18 5 生长环境相对晶体生长形貌的影响 .................................................................................. 19
5.1 溶液过饱和度的影响 ................................................................................................ 19 5.2 溶液pH值的影响 ..................................................................................................... 20 5.3 温度的影响 ................................................................................................................ 21 5.4 杂质的影响 ................................................................................................................ 21 6 结论及展望 .......................................................................................................................... 22 参考文献 .................................................................................................................................. 23
1 前言
纳米技术作为21世纪的主导科学技术，将会像20世纪70年代微米技术在世纪交的信息革命中起的关键作用一样，给人类带来一场前所未有的新的工业革命。近年来，纳米技术正向各个学科领域全面渗透，速度之快，影响面之广，出乎人们的意料之外[1,2]。纳米技术与传统学科相结合形成的新兴学科包括有纳米电子学、纳米生物学和纳米医学、纳米材料学、纳米机械学、纳米物理学和化学、纳米力学和纳米测量学等学科。这些新兴学科的发展趋势和潜力使我们完全有理由相信，21世纪将会是一个纳米技术的世纪。这个由纳米技术主导的世纪会在不久的将来带给人类新的信息时代、新的生命科学时代、新的医学时代、新的材料科学和制造技术时代。目前，纳米技术的基础和应用研究正在我国兴起，为使我国在这场科学技术的巨大变革中能够赶上世界新技术的发展潮流，与发达国家齐头并进，我国的科技工作者正不断涉入纳米技术的不同研究领域 ,取得了很多可喜的成果。
纳米微观形貌的研究一直是当今材料研究领域的热门，获得具有规准、均一的纳米晶使其具有优异的电学性能、光学性能、磁学性能并能满足实际技术应用一直是材料化学的重要研究方向[3]。同时通过研究形貌与性能之间的关系，又可以作为一个模型来帮助我们更好地理解量子效应的演变规律。从90年代末至今，科技工作者们运用多种方法和策略来制备尺寸可控、单分散好纳米晶，研究纳米微观形貌的演变、控制演变过程、研究相关成核生长机理也相继开展起来。
2 纳米材料的简介
2.1 纳米材料的概念
纳米(nm)是一种几何尺寸的度量单位，1纳米等于十亿分之一米(10-9m)，约是三、四个原子排列起来的宽度。纳米材料是指物质的粒径至少有一维在1～100 nm之间，且具有特殊物理化学性质的材料。纳米材料(NSM)的概念最初是在80年代初期由德国学者Gleiter教授提出来的[4,5]，事实上，早在1000年前中国人就开始利用燃烧的蜡烛形成