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从纳米晶到三维超晶格结构

［综合评述］

03-0429-08

收稿日期：2010-

10-12．基金项目：国家重大科学研究计划项目（批准号：2011CB932401）和国家自然科学基金创新研究群体项目（批准号：20921001）资助．

联系人简介：李亚栋，男，博士，教授，博士生导师，主要从事纳米材料的合成及应用研究．E-

mail ：ydli@mail．tsinghua．edu．cn 彭卿，男，博士，副教授，主要从事无机半导体纳米材料的制备及性能研究．

E-mail ：pengqing@mail．tsinghua．edu．cn

在过去的20年间，晶态胶体粒子的制备技术有了长足的发展［1 9］．人们在不断获得各类新型纳米晶的同时，也一直致力于探寻它们的功能性质，特别是希望在一定尺度上实现其规模化应用．将纳米晶作为构建单元，组装成三维有序的高级结构（组装体），并发挥整体的集合性能，被认为是由微观材料向介观甚至宏观器件模块迈进的一条可能的途径．

胶体纳米晶三维有序组装体是纳米晶按照一定的规则立体堆积而形成的周期结构．这种结构往往

与晶体中原子的长程有序阵列有很多相似性，也被人们称为纳米晶的“超结构”或者

“超晶格”．其中规模较大的（尺寸不小于微米量级）、块状的纳米晶超晶格又被称为“超晶体”

或“胶体晶体”．超晶格的构筑主要依靠纳米晶本身或者其表面修饰分子之间存在的范德华力、电性力、磁作用力、分子表面作用和熵驱动作用等，Grzybowski 等

［10］已经就此作出了较为全面的论述（表1）．Table 1

Interaction potentials for nanocrystals （spherical models ）［10］

Interaction type Formula

Range

1纳米晶三维有序组装体的研究价值

目前，许多具有晶体学周期堆垛方式的纳米晶组装体已经被成功构建．研究表明，这些组装体在

一定程度上具有“晶化”和“生长”行为，同样也有位错［11］和孪晶［12］等典型的晶体学特征．甚至准晶结

构也可以由纳米晶组装而成［13］

．既然纳米晶三维有序组装体的构造模式与原子晶格结构非常接近，就不妨将这种人造的超晶格作为研究晶体构成、演化和表现的直观模型．从比较研究的角度讲，大家一面力求依据现有的晶体学理论来指导制备超晶格，预测其性质；另外也致力于借助纳米晶超结构来更好地认识晶体．

纳米晶超结构受到学界的广泛关注，不仅因为它们有作为晶体学模型的研究价值，还因为它们会体现出孤立纳米晶所不具备的集合性能，即纳米晶的个体属性并未改变，但在整体上却产生了新的应用性能．集合性能主要来自3个方面：（1）有序排列的相邻纳米晶在电、磁等作用下彼此互相影响，使

自身原本的性质发生变化

［14，15］．例如，Bawend 和Murray 等［16］很早就发现，由于粒子间的耦合效应，半导体量子点的光致发光谱会出现红移现象．（2）由于组装体的周期性有序结构而产生的新性质，比

如形成某种特定尺寸的有序孔道（介孔特性）

［17］以及构造出光子带隙（光子晶体特性）［18］．（3）不同功能的纳米晶通过二元或二元以上组装形成复合材料，使其整体表现出各独立组元的综合特性．2

纳米晶三维有序组装体的几类制备方法2．1胶体溶液蒸发法

通常，单分散胶体纳米晶的形貌和尺寸控制是借助于活性剂分子在晶体粒子表面的吸附包裹行为来实现的．活性剂分子之间存在着相互作用场（以范德华力为最普遍形式），故而在一定条件下纳米晶粒子会受到热力学驱动而自发地进行有序组装．

作为一种形成有序纳米晶组装结构的传统方法，胶体溶液蒸发法遵循了上述的原理．该方法和晒Fig．1Schematic illustration of the solvent evaporation method ［19］Nanocrystal superlattices are deposited on a solid substrate by

controlling evaporation of the solvent of colloidal solution．制无机盐的过程类似，即将预先制得的由

长链有机分子包裹的纳米晶粒子分散于适

当溶剂中形成胶体溶液，随着溶剂的蒸

发，胶体溶液的浓度逐渐增大，导致纳米

晶粒子从液相中“结晶”析出至容器壁或

者预置衬底上（如图1所示）．这种方法应

用的重要前提是作为组装基元的纳米晶要

具有高度均匀的尺寸，此外胶体溶液的浓度和溶剂挥发速率等因素也会影响组装产物的有序度和规模

［11，19 21］

．Fig．2Ag nanocrystal superlattice ［22］近年来，有若干研究小组采用胶体溶

液蒸发法在纳米晶的立体组装方面做出了

有价值的工作．比如，Yang 等［22］将Ag 纳

米晶组装成

“等离子体晶体”（图2），在可见光波段实现了频率选择性响应；Wang

和Chen 等［23］

用几种均一而不同形貌的

Au 纳米晶在硅衬底上构建了单构和双构

的三维有序结构，并发现有序堆积使得

Au 纳米棒的双光子激发性能有所增强；

Korgel 等［24］则将衬底斜置于Fe 2O 3纳米

晶（A ）和Au 纳米晶（B ）共混的胶体溶液

中，得到了AB 2型的二元类晶体结构，并034高等学校化学学报Vol．32

对产物的结构缺陷加以探讨．不过总的来说，由于沉积物对基底的平面依附效应，直接蒸发溶剂的方

法就制备块状超晶体而言并无优势，多被用于获得连续的层状组装结构

［25，26］．2．2不良溶剂扩散法

如果一种溶剂能有效地分散纳米晶并形成胶体溶液，那么我们就将其称为纳米晶的良溶剂，反之则称为不良溶剂．例如，对于长链有机分子包裹的纳米晶，弱极性溶剂通常为良溶剂，而极性溶剂通常为不良溶剂．事实上，在早期人们以挥发溶剂的方法组装纳米粒子时，已经尝试过在弱极性体系中

加入少量极性溶剂，收到了很好的效果．1995年，Bawendi 和Murray 等［16］将CdSe 量子点分散于含

90%辛烷和10%辛醇的混配溶剂中，在一定条件下低沸点的辛烷优先挥发，使胶体溶液的浓度不断增大，同时极性溶剂辛醇的百分含量也逐渐上升，从而得到了CdSe 胶体晶体．

2001年，Rogach 和Talapin 等［27］进一步发展出了一种不良溶剂扩散法（图3），其原理是将纳米晶分散在其良溶剂中，然后向体系中加入不良溶剂，随着不良溶剂向良溶剂中缓慢地扩散，在原分散相

和非溶剂层的接合部，纳米晶的“溶解度”会比加入不良溶剂前大大降低，这样就形成了局部过饱和的

胶体溶液环境，于是纳米晶组装体便得以析出．如果引入适当的第三溶剂，在不良溶剂层和良溶剂层之间设置一个缓冲层，降低不良溶剂扩散的速度，则会使纳米晶组装得更为缓慢，形成的有序结构的

质量也会更高．这类方法已经被成功地用于制备CdSe

［27，28］，FePt ［29］，CoPt 3［28］，PbS ［12，28］，Ni ［21］和Au ［30］等多种纳米晶超结构，但操作起来耗时较长，往往少则一周，多则数月

．

Fig．3Scheme of the non-solvent diffusion method ［27］（A ）and microscopy images of PbS nanocrystals and their 3D

assemblies ［28］［（B ）—（E ）］

（B ）TEM image of PbS nanocrystals ；（C ）optical microscopy ；（D ）SEM images of a supercrystal ；（E ）high-resolution SEM image

of tightly packed surface of PbS supercrystal．

2．3胶束引导法

胶体溶液蒸发法和不良溶剂扩散法都是依赖于有机液相来完成纳米晶组装的．为了在含水介质中实现类似的过程，人们不断探索，形成了一种胶束引导有序集聚的策略．采用该方法时，首先把有机相分散的粒子体系移入表面活性剂（如长链烷基磺酸钠或长链烷基三甲基溴化铵）的水溶液中，而后挥发掉有机溶剂，使粒子包裹于形成的胶束之中，再利用胶束的引导作用通过后续不同的处理工艺得到超晶格组装体．

Fig．4Formation of water-soluble gold nanocrystal-micelles through surfactant /lipid encapsulation

and their self-assembly ［31］（A ）and a representative transmission electron micrograph of

3D gold nanocrystal-micelle superlattice （B ）

Fan 等［31，32］将前驱体胶束溶液直接脱水沉积于衬底表面，制备了Au 等纳米晶的立方结构三维有

序阵列（图4）．本课题组［17，33］利用胶束微乳液中的油相液滴为模板，获得了一系列单质和化合物的有

134No．3孟令镕等：从纳米晶到三维超晶格结构

Fig．5Scheme of the emulsion-based bottom-up self-assembly method［33

］

Fig．6Typical TEM images of the colloidal spheres［33］of BaCrO

4（A，B）and Ag

Se（C，D）

序“胶体球”结构（图5和图6），并对双组元纳米晶复合功能材料的组装进行了初步的尝试［34］．Cao 等［35 37］则将Fe3O4和CdSe/CdS纳米晶胶束注入乙二醇体系中，靠改变溶剂环境的极性使纳米晶聚集成球团，再经液相退火使球团状聚集体最终“晶化”成有序结构．

2．4一些其它方法

2．4．1氢键连接法氢键连接法是又一种制备亲水性纳米晶三维超结构的方法，操作流程是先在晶体粒子表面修饰上含大电负性元素的分子，然后利用水分子中的H和修饰分子上的大电负性原子形成氢键，从而将纳米粒子连接组装在一起．Kimura课题组［38 42］在这方面做了许多工作，他们制备了Au、Ag纳米晶的超晶体，并就其功能化展开了一些有益的研究（图7）．值得注意的是，目前氢键连接法主要适用于强酸性体系，这就要求被组装的纳米粒子必须耐酸

．

Fig．7Water molecule connect with carbonyl groups from different gold particles that passivated by mercaptosuccin-ic acid（MSA），resulting in aggregation of gold particles in a humid condition［40］（A）and microscope images

of gold particle supercrystals（B）（Inset：low-angle electron diffraction from one superlattice）

2．4．2静电聚集法这种方法的思路是先通过表面修饰使纳米晶粒子带上电荷，然后将电性相反的234高等学校化学学报Vol．32

粒子在液相中混合，使它们凭借彼此间的静电作用力有序地结合在一起，形成自组装体．静电聚集法

应用的前提是对纳米晶粒子尺寸和所带电荷的精确调控．Grzybowski 等［43］用等尺寸的受HS （CH 2）10·

COO －包裹的Au 粒子（带负电）和受HS （CH 2）

11NMe +3包裹的Ag 粒子（带正电）组装出了闪锌矿结构的

超晶体（图8），被认为是一宗经典案例［44］

．Fig．8Au-Ag binary supercrystals ［43］

（A —C ）SEM images ；（D ）scheme of an AB unit cell and the projections of supercrystal planes．

2．4．3DNA 导向法

众所周知，DNA 上的碱基具有固定的互补配对规律，于是，一些研究小组考虑

将适当的DNA 修饰到纳米粒子表面，然后通过其配对行为引导粒子有序组装［如图9（A ）所示］．这种方法先是用于构建纳米晶的二维阵列，但被认为难于实现三维组装

［44，45］．2008年，Gang 等和Mirkin 等［45 47］在同一期的Nature 杂志上分别报道了利用该方法制备金纳米粒子三维立方超结构的工作，虽

然产物的

“结晶度”有待提高，但还是带给人们以新的希望［图9（B ）］

．Fig．9Scheme of DNA linkages between nanoparticles （A ）and representative SEM image of

nanoparticles after DNA-guided assembly at room temperature （B ）［47］

Fig．10Ag 2S tetrahedral superlattice and a schematic illustration of the plausible formation mechanism ［48］

2．4．4“水-油”界面辅助机制2007年，我们课题组［48，49］构思了一种利用“水-油（有机相）”界面辅助

制备半导体硫化物纳米晶并实现其原位自组装的途径（图10）：首先，金属离子水溶液（如银氨溶液或

铜盐溶液）与硫醇（或含有硫醇的有机相）在“水-油”界面处反应，生成硫醇金属离子配合物前驱体；而

后，硫醇金属离子配合物热分解，源源不断地产生金属硫化物（如Ag 2S 、Cu 2S ）纳米晶；最终，纳米晶在极性-弱极性两相邻接区部分自组装成有序结构．

2．4．5外场辅助法一些文献也报道了外场引导组装纳米晶的方法．如Alivisatos 等［50］在直流电场下

334No．3孟令镕等：从纳米晶到三维超晶格结构

蒸发CdS 纳米棒胶体溶液，制备了轴向垂直于衬底的三维纳米棒阵列；Cheon 等［51］以钴纳米粒子为基

元，在磁场引导下制备了具有取向性的面心立方堆积超结构（图11）；Song 和Clays 等［18］则在椭球形

Fe 2O 3/SiO 2核壳粒子的对流自组装过程中施加磁场，得到了粒子长轴平行于衬底的三斜型超结构光子晶体．外场辅助法的优势是可以通过场的作用来调控纳米晶组装体的向性生长，但该法只能应用于对外场有特定响应的材料

．

Fig．11Schematic of Co supercrystal formation via magnetic field induced assembly （A ）；unit cell struc-

ture （B ）；low （C ）and high （D ）magnification TEM images ；［001］SL （E ）and ［111］SL （F ）pro-

jections of fcc-structured supercrystals ［51］

SL ：Superlattice．

Fig．12Fe 3O 4octahedral supercrystals ［52］

Low （A ）and high （B ）magnification SEM images ；TEM images of the superlattice structure （C ，D ）；

3D schematic model of the supercrystals （E ）．

2．4．6表面活性剂浓度控制的一步法溶剂热自组装最近，我们［52］设计了一种一步法实现纳米晶制备及原位组装的工艺，即在封闭的溶剂热体系中，通过改变脂肪酸活性剂的浓度，来调节新生成纳米

晶的表面修饰分子偶极作用强度，以达到促使粒子聚集“晶化”的目的．实验取得了初步进展，在几小

时内制备出了具有规则八面体外形且无衬底依赖的微米级Fe 3O 4超晶体（图12）．

434高等学校化学学报Vol．32

3结论

在公元前2500 2600年间，古埃及人就用巨石建造出了雄伟的金字塔［53］．几千年之中，形形色

色的人工建筑物让世界的面貌和人类的生活都为之巨变，然而在微观世界里，我们的建筑工作才刚刚起步．虽然人们在纳米晶超结构组装方面已取得了上述的进展，但是在这一领域内还存在着无法回避的挑战．首先，对于目前的人工纳米晶三维组装体，材料物质的种类还很有限，多为几类金属（如Ag ，Au ）或半导体（如硫化物，硒化物）．而且，在工艺上，纳米晶的制备和组装往往是两步完成的，整个流程所需步骤较多，耗时较长，有时还要消耗大量的有机试剂，不利于大规模生产．不仅如此，迄今为止纳米晶组装体超结构的规模还较为有限，形态也多不规则，结构稳定性亦有待提高，同时也没有完全解除对衬底的依赖．今后，科研工作者必将拓宽研究对象的范围，在改进和创新的基础上，寻找环境

友好、简便经济、普便适用的组装方法，力争能早日按照实用需求“量体裁衣”

，可按地制备出具有较大尺寸与统一规格的组装产品．

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Self-assembly of3D Nanocrystal-superlattices

MENG Ling-Rong1，PENG Qing1，2*，ZHOU He-Ping1，LI Ya-Dong1，2*

（1．State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing，2．Department of Chemistry，

Tsinghua University，Beijing100084，China）

Abstract The assembly of nanocrystals into various ordered structures is key to their future applications．In this article，we describe the recent progresses in the assembly routes and mechanisms of the three-dimensional superlattices of nanocrystals．This review focuses on the techniques of nanocrystal assembly based on solvent evaporation of colloidal solutions，non-solvent diffusion，micelle-induced aggregation，hydrogen bonding linkage，electrostatic interactions，DNA base-pairing，external field-assistance，and oil-water interface templating．The existing challenges and future development of nanocrystals assembly are also discussed．Keywords Nanocrystal；Self-assembly；3D superlattice；Supercrystal；Collective property

（Ed．：M，G）

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

Au_Ag芯_壳复合结构纳米颗粒的制备和表征

Au/Ag芯-壳复合结构纳米颗粒的制备和表征* 闫仕农1,2,王永昌1,郝丽梅1,魏天杰2 (1.西安交通大学理学院现代物理研究所,陕西西安710049;2.中北大学理学系,山西太原030051) 摘要:利用二步液相还原法制备了Au/Ag芯-壳复合结构的纳米颗粒。用T EM对反应液中金离子和银离子的摩尔比分别为1B2和1B1时所制备的Au/ Ag芯-壳复合结构的纳米颗粒的尺寸和形貌进行了表征。其紫外-可见吸收光谱具有2个可区分的吸收带,与纯金和纯银纳米颗粒的光学吸收特性对比后认为:随着反应液中银离子摩尔份数的增加,等离子体共振吸收峰始终位于410nm附近的吸收带为银纳米颗粒的等离子体吸收带;另一个将随之产生蓝移的吸收带为Au/Ag芯-壳复合结构纳米颗粒的等离子体吸收带,蓝移是由于银壳厚度的增加而引起的。关键词:二步液相还原;Au/Ag芯-壳复合结构纳米颗粒;光学吸收特性;蓝移中图分类号:O657.3文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2005)03-0425-02 1引言纳米尺度的胶体金、银等贵金属颗粒由于其区别于相应块体材料的突出的催化性质、电磁性质和光学性质受到了相关研究人员的广泛关注[1~4]。特别是由表面等离子体共振(surface plasm on r esonance,SPR)而引起的在可见光范围的强吸收带一直是人们研究的热点[5~8]。近来,具有芯-壳结构的纳米颗粒(如Au/ Au2S、Au/SiO2、Ag/SiO2等)[9~13],由于其光学性质的可剪裁性,开始受到研究者的青睐。本文利用二步液相还原法,通过控制反应液中金离子和银离子的摩尔比,得到了单分散的A u/Ag芯-壳复合结构的纳米颗粒,用透射电子显微镜(T EM)对其结构、形貌和尺寸进行了表征,并对其光学吸收特性进行了分析。 2实验采用二步液相还原法来制备Au/Ag芯-壳复合结构的纳米颗粒。首先制备金纳米颗粒,即用柠檬酸盐作还原剂,在沸腾的状态下与氯金酸(H AuCl4)溶液持续反应30min后,得到胶体金纳米颗粒,此时反应液的颜色为鲜红色;然后再加入一定量的硝酸银(AgNO3)和柠檬酸盐溶液,在沸腾的状态下,经过20m in后,反应液的颜色变为棕红色,用JEOL JEM-200CX透射电子显微镜在160kV加速电压下,观察到Au/Ag芯-壳复合结构的纳米颗粒,见图1(a)和图2(c)。实验中所有的反应溶液均是用去离子水(>18M8) 配制的。图1(a)反应液中银离子和金离子的摩尔比为1B2时所制备的Au/Ag芯-壳复合结构纳米颗粒 TEM照片(b)相应的选区电子衍射图 Fig1(a)T EM image of silver-coated gold com posite nanoparticles corresponding to the mole ratio1 B2of Ag ions and Au ions in the reduction so- lution(b)the corr espo nding selected area elec- tro n diffractio n pattern 3结果与讨论图1(a)和图2(c)是反应液中银离子与金离子的摩尔比分别为1B2和1B1时所制备的Au/Ag芯-壳复合结构纳米颗粒的透射电镜照片。图2(c)反应液中银离子和金离子的摩尔比为1B1时所制备的Au/Ag芯-壳复合结构纳米颗粒 T EM照片(d)相应的选区电子衍射图 Fig2(c)T EM image o f silver-coated gold com posite nanopar ticles corresponding to the mo le ratio1 B1of Ag ions and Au ions in the reduction so- lution(d)the corr esponding selected area elec- tr on diffr actio n pattern 图1(b)和图2(d)分别为其相应的选区电子衍射图。在制备的过程中,保持反应液中金离子和银离子 425 闫仕农等:A u/A g芯-壳复合结构纳米颗粒的制备和表征 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(60277003) 收稿日期:2004-06-25通讯作者:闫仕农作者简介:闫仕农(1966-),男,山西太原人,副教授,在读博士,师承西安交通大学理学院现代物理研究所王永昌教授从事纳米材料光学性能的研究。

纳米晶体

纳米晶体摘要：本文主要介绍了金属纳米晶体、金属氧化物纳米晶体和一些其他纳米晶体的合成方法，并对它们的性能做了些简单的介绍。纳米晶体有许多独特优异的性能，本文对相关的纳米晶体的应用也进行了介绍，随着纳米晶体制备技术的发展，纳米晶体的应用会更加广泛。关键词：纳米晶体；金属；金属氧化物 0引言纳米材料是指组分尺寸至少在某一个维度上介于1～100nm之间的材料。纳米材料就其结构上可以分为纳米晶体、纳米颗粒、纳米粉末、纳米管等。由于纳米材料的纳米尺寸效应，使得纳米材料出现了许多不同于常规条件下的材料性能，例如光学性、电导性、抗腐蚀性等，因此人们对纳米材料在未来材料领域的应用与发展寄予了很大期望。但由于纳米材料在结构上存在表面效应和小尺寸效应，使其能量高于平衡态，表面上原子数增多，具有较高的表面能，使得这些表面原子具有较高的活性，非常不稳定，满足一定激活条件时，就会释放出过剩自由能，粒子长大，从而也将失去纳米材料所具有的特性，使块状纳米材料的制备产生困难。而纳米晶体由于晶界数量增加，使材料的强度、密度、韧性等性能大为改善。纳米晶体指的具有纳米尺度的晶体材料。本文将分类介绍有关纳米晶体在制备、性能、应用等方面的研究进展。 1金属纳米晶体同传统的金属晶体相比，金属纳米晶体材料由金属纳米晶粒构成,其晶粒尺寸很小( < 100 nm) ,晶界比例很大(30% ～50% ) ,晶体的缺陷密度很高,因此它所表现出来的性能,尤其是对结构敏感的性能与粗晶材料有很大差别。刘伟[1]等用纯度为99.8%的紫铜丝作为原料，采用自悬浮定向流技术制备出金属Cu纳米粉末，制得平均晶粒尺寸为25 nm的金属Cu纳米晶体材料，其显微硬度为1155～1190GPa,约为普通粗晶Cu材料的3～4倍,硬度随压制工艺而变化，压力增大，保压时间延长,硬度增大. 且样品硬度值受表面抛光的影响。李才臣[2]等以工业纯铝粉为原料，采用高能球磨法制备了纯铝纳米晶体并对其硬度进行了分析，经实验发现，球磨12 小时后可得平均晶粒尺寸约34nm, 而且此时的硬度最高，可达111HV, 纯铝纳米晶的硬度随着球磨时间的延长先升高后降低，随温度的增加先升高后下降。对于金属纳米晶体的研究不仅局限在制备方法和显微硬度方面，对于纳米晶体的生长形态和结构稳定性方面也有相关的研究。张吉晔[3]等对Ag纳米晶体的生长形态进行了相关的研究。他们在利用电化学方法在ITO 基板上沉积出银纳米晶体，然后研究了ITO基板上的沉积电位对Ag纳米晶体生长形态的影响。如图1所示，(a)和(b)中的银纳米粒子具有良好的分散性，粒径较均匀，此时沉积电位为0.3 V 时，粒子的分布密度较小。在(c)中，晶体形貌具有显著的羽毛状形态。(d)中银纳米晶体

第五章纳米材料的表征

例一、热氧化法制备WO 2.9纳米棒利用SEM 知道了棒的集体形貌、大体尺寸、取向特性等。利用XRD 分析获取了纳米棒的晶体结构以及取向分布等信息。利用TEM 、SAD 、HRTEM 、EDS 等分析可以获取单根纳米棒的结构、直径、化学成分、生长方向等信息。例一、热氧化法制备纳米棒材料的分析与表征概述

Raman 光谱和光致发光谱给出了化学键合和光学性能信息。 JEOL－200CX 分析型透射电镜透射电镜观察法(TEM观察法). 透射电镜观察法(TEM观察法). 纳米TiO2晶粒尺寸分布 ?C 透射电镜观察法(TEM观察法).

Ｘ射线法Ｘ射线法Ｘ射线法比表面积法比表面积法方程：吸附质分压P0: 吸附剂饱和蒸汽压 V之间的数量关系，为比表面积测定提供了很好的理论基础。轴，为方程做图进行线性拟合，得到直线的斜率和截距，从而求得值计算出被测样品比表（二）纳米材料的颗粒尺寸与粒度分析拉曼散射法拉曼原理：当一束波长为λ的光照射到物质上之后，一部分拉曼散射与粉体粒径的关系：

拉曼散射法 z 特点：灵敏度较低，一般只能测定样品中含量在1%以上的物相，同时，定量测定的准确度也不高，一般在1%的数量级。 z 所需样品量大（0.1g），才能得到比较准确的结果，对非晶样品不能分析。z 样品的颗粒度对X射线的衍射强度及重现性有大的影响。一般颗粒越大，则参与衍射的晶粒数就越少，且产生初级消光效应，使得强度的重现性较差。 z 要求粉体样品的颗粒度大小在0.1 ～10μm范围。对吸收系数大的样品，参加衍射的晶粒数减少，也会使重现性变差。因此在选择参比物质时，尽可能选择结晶完好，晶粒小于5μm，吸收系数小的样品。 z 可采用压片，胶带粘以及石蜡分散的方法进行制样。由于X射线的吸收与其质量密度有关，因此要求样品制备均匀，否则会严重影响定量结果的重现性（三）纳米材料的结构形貌分析 X射线衍射结构/物相分析： XRD 物相分析是基于多晶样品对X 射线的衍射效应，对样品中各组分的存在形态进行分析。测定结晶情况，晶相，晶体结构及成键状态等等。可以确定各种晶态组分的结构和含量。为薄膜调制周期

半导体纳米晶

第一章绪论近数十年以来,纳米科学技术得到了极为迅速的兴起和发展,并越来越受到各界科学家和科研工作者的关注,逐渐成为目前最为活跃的前沿学科领域之一。最近几年来,由于不断深入的理论支持研究和各种各样的制备与表征手段的改进发展,以及扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等高端测试仪器的广泛使用,纳米材料的许多奇异的性质逐渐显露在人们面前,展现出它在化工环保方面、医药健康方面、电子信息方面、能源动力方面等诸多方面的广阔的应用前景,纳米科学技术已经发展成为21世纪的占据主导地位的新型技术之一。 1.1半导体纳米晶简介纳米材料,又常常被人们所称之为纳米结构材料,我们一般可以从两个不同的角度和方面,对该材料进行定义:从第一方面来说,当一种材料的尺寸, 处于纳米的尺度范围内,即1到100纳米之间,并且在三维空间中,至少在一个维度上是这样的;从另外一个方面来看,该材料因为其物理尺度上尺寸的减小,从而使该材料与之对应的物理性能和化学性质,相对于同材料的块体材料而言,发生了显著变化。其实,从十九世纪60年代,"胶体化学"诞生的时期开始,许多的科学工作者便开始了对纳米材料的探讨和研究,只是在那时,尺寸为一到一百纳米的弥散粒子,被称之为胶体。而纳米科学技术的正式提出, 是直到二十世纪的1959年时,在美国的物理学会曾经一次召开的会议上[1]。之后,扫描隧道电子显微镜(STM),在1982年时,被G. Buning和H. Robrer所发明创造出来了。由于扫描隧道电子显微镜(STM)的出现和使用,使人们能够在纳米的尺度范围内,直接的观察和操纵原子的功能得到了实现,而该项发明也极大的推动了纳米科学技术的快速的发展与兴起。综上所述,纳米科学技术的研讨和探究,使人们能够通过直接的作用于原子和分子的排布,从而创造出具有全新的功能性新物质,并且,这将同时、同样的标志着,人类改造自然的能力己经拓展到了原子和分子的水平[1]。纳米材料中,纳米晶材料是不可忽视的一员。当一种金属或半导体的颗粒粒度半径小于该材料的激子的玻尔半径时,我们将之称为纳米晶体材料.通常情况下,对于半导体材料而言,我们也习惯将之称之为半导体纳米颗粒,或者半导体纳米晶。在过去,很多时候也曾存在着纳米量子点、纳米超微粒、纳米量子球或者纳米微晶等等各种不同的称呼和定义[2]。由于纳米晶材料拥有比较特殊的结构、异于寻常的物理性能和化学性质,所以,在今天,纳米晶材料在光电器件生产应用领域、生物医药生产应用领域、信息技术生产应用领域以及化工生产应用领域等诸多方面都具有着非常重要的、不可小觑的应用前景,而越来越多的广大科学工作者也对其显现出极大的科研兴趣,纳米晶材料已经成为物理领域、化学领域、生物领域和材料等领域的研究热点之一。时至今日,已研究的纳米晶材料,涵盖了磁性型纳米晶材料(Co, Fe304)、贵金属型纳米晶材料(Au, Pt)、半导体型纳米晶材料(CdSe, ZnS)、金属单质型纳米晶材料(Fe, Ni) 和氧化物型纳米晶材料(Ti02, Zr02)等诸多类型。在以上诸多类型的材料之中, 半导体纳米晶材料,也可以被称之为半导体量子点材料,在众多纳米材料中, 尤为引起诸多科研工作者的注意。迄今为止,经过诸多科学家的努力,己经成功的制备出了各种形貌的半导体纳米材料,其中包括半导体纳米点型材料、半导体纳米带型材料、半导体纳米线型材料、半导体纳米管型材料、半导体纳米薄层型材料等等,通过各种验证,发现了半导体纳米材料的、许多的、与常规

纳米材料与纳米结构21个题目+完整答案

1.简单论述纳米材料的定义与分类。 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类. 3.通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 4.论述碳纳米管的生长机理。 5.论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 6.解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。 7.论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。 8.什么是库仑堵塞效应以及观察到的条件？ 9.写出公式讨论半导体纳米颗粒的量子限域效应和介电限域效应对其吸收边，发光峰的影响。 10.纳米材料中的声子限域和压应力如何影响其Raman 光谱。 11.论述制备纳米材料的气相法和湿化学法。 12.什么是纳米结构，并举例说明它们是如何分类的，其中自组装纳米结构形成的条件是什么。 13.简单讨论纳米颗粒的组装方法 14.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 15.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 16.简单讨论纳米材料的磁学性能。 17.简述“尺寸选择沉淀法”制备单分散银纳米颗粒的基本原理 18.简述光子晶体的概念及其结构 19.目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。并说明那些纳米结构应该具有增强物理和化学性能。 20.简单论述单电子晶体管的原理。 21.简述纳米结构组装的工作原理。 1.简单论述纳米材料的定义与分类。答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料可分为三大类：零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。

Ag纳米晶颗粒_碳纳米管复合材料的制备与结构研究

第24卷第1期2009年1月无机材料学报Jour nal of Inor ga n icM aterials V o.l 24,No .1 Jan .,2009 文章编号:1000 324X (2009)01 0122 03 收稿日期: 2008 03 13,收到修改稿日期: 2008 06 05 基金项目: 国家杰出青年基金(60425516);国家重点实验室开放基金(SKL200605SIC )作者简介: 吴永庆(1979 ),男,博士研究生.通讯联系人: 李效民,教授.E m ai:l li xm@m ail.sic .ac .cn Ag 纳米晶颗粒/碳纳米管复合材料的制备与结构研究吴永庆 1,2,4 ,李效民2,王震遐3,张亦文2,4,夏长泰1,徐军 2 (1.中国科学院上海光学精密机械研究所激光与光电材料实验室,上海201800;2.中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室,上海200050;3.中国科学院上海应用物理研究所,上海201800;4.中国科学院研究生院,北京100049) 摘要:利用热蒸发方法在多壁碳纳米管表面沉积A g 纳米颗粒,XRD 结果显示,Ag 纳米颗粒以晶体形态存在,同时透射电镜分析结果表明,A g 纳米晶颗粒引起碳纳米管横截面形变,从而形成A g 纳米晶颗粒/碳纳米管异质复合材料,这些纳米异质复合材料相互连接,形成网络化分布的结构.关键词:碳纳米管;A g 纳米颗粒;制备;结构中图分类号:O 657;O 72 文献标识码:A Research on Fabrication and Structure of Ag Nanoparticle/ Carbon Nanot ubes Co mposites WU Yong Q ing 1,2,4 ,L I X iao M i n 2,WANG Zhen X ia 3,Z HANG Y i W en 2,4,X IA Chang Ta i 1,XU Jun 1 (1.The Laser and Optoel ectronicM aterialR&D Center ,Shanghai Insti tute of Opti cs and F i neM echanics ,Ch i neseA cade m y of Sci ences ,Shanghai 201800,China ;2.State Key Laboratory of H i gh Perfor m ance C era m i cs and Superfi ne M icrostructure ,shanghai Institute of Cera m ics ,Ch i neseAcademy of Sciences ,Shanghai200050,Ch i na ;3.Shanghai Insti tute of Applied Phys ics ,Ch i neseA cade m y of Sci ences ,Shanghai 201800,Ch i na ;4.G raduateUn i versity of t he Chi nese Acade m y of Sciences ,B ei ji ng 100049,Ch i na) Abst ract :Ag nanopartic les w ere prepared on the surface ofm ulti w alled carbon nanotubes(M C NT s)by ther m a l evaporati o n depositi o n at roo m te m perature .The m orpho logy and m icr ostruct u res o fA g /CNTs co m posites w ere characterized by SE M,XRD ,TE M andHRTE M.The m easure m ent resu lts verify the nanocr ystal shape of Ag nanopartic les on the MCNTs .Ag nanopartic l e s are distri b uted even l y on the MCNTs and the density ofAg nanopartic les reaches 1011c m -2 .Ag nanoparticles present round or elli p tical patter ns and the r ound particles have larger d ia m e ter than the elli p tica l ones .The MCNTs are defor m ed at w here Ag nanoparticles gro w,w hich should be attributed to the i n teraction be t w een Ag nanoparticles andMCNTs during the evo l u ti o n .The hetero j u nti o n m aterials are for m ed by the defor m ed M C NT s and as gro wn A g nanoparticles .It is found t h at the hetero j u nti o n m aterials share mutual connecti o ns and constitute a net structure because t h e che m ical bonds bet w een Ag nanoparticles and MCNTs have fi x ati o n on reci p rocal ch i a s m ata MCNTs .The as prepared 0 1di m ensionalm ater i a ls have pro m ising applicati o ns i n sensors ,cata l y sis and optoe l e ctronic dev ices .K ey w ords :carbon nanotube ;Ag nanoparticle ;fabrication ;str ucture 碳纳米管(CNTs)具有特殊的结构、物理和化学性质以及潜在的应用价值,受到了世界各国的广泛关注[1 3].随着全球能源问题进一步突出,燃料电池作为一种清洁、可再生的能源,越来越受到重视.燃料电池的研究工作主要包括催化剂、电极、水处理、新型电池设计,而获得新型催化剂成为研究的首要热点.目前主要采用贵金属作为催化剂,但成本高,工艺复杂.已有研究表明,在碳纳米管上沉积Ag 颗粒具有较高的催化特性,可以代替贵金属作为燃料电池中的催化剂. 金属纳米颗粒/碳纳米管复合结构制备的常见方

从纳米晶到三维超晶格结构

［综合评述］ 03-0429-08 收稿日期：2010- 10-12．基金项目：国家重大科学研究计划项目（批准号：2011CB932401）和国家自然科学基金创新研究群体项目（批准号：20921001）资助．联系人简介：李亚栋，男，博士，教授，博士生导师，主要从事纳米材料的合成及应用研究．E- mail ：ydli@mail．tsinghua．edu．cn 彭卿，男，博士，副教授，主要从事无机半导体纳米材料的制备及性能研究． E-mail ：pengqing@mail．tsinghua．edu．cn 在过去的20年间，晶态胶体粒子的制备技术有了长足的发展［1 9］．人们在不断获得各类新型纳米晶的同时，也一直致力于探寻它们的功能性质，特别是希望在一定尺度上实现其规模化应用．将纳米晶作为构建单元，组装成三维有序的高级结构（组装体），并发挥整体的集合性能，被认为是由微观材料向介观甚至宏观器件模块迈进的一条可能的途径．胶体纳米晶三维有序组装体是纳米晶按照一定的规则立体堆积而形成的周期结构．这种结构往往与晶体中原子的长程有序阵列有很多相似性，也被人们称为纳米晶的“超结构”或者 “超晶格”．其中规模较大的（尺寸不小于微米量级）、块状的纳米晶超晶格又被称为“超晶体” 或“胶体晶体”．超晶格的构筑主要依靠纳米晶本身或者其表面修饰分子之间存在的范德华力、电性力、磁作用力、分子表面作用和熵驱动作用等，Grzybowski 等［10］已经就此作出了较为全面的论述（表1）．Table 1 Interaction potentials for nanocrystals （spherical models ）［10］ Interaction type Formula Range

Ge-Te基非晶纳米晶原位复合热电材料结构研究

Ge-Te 基非晶纳米晶原位复合热电材料结构研究1 闫风，朱铁军，赵新兵浙江大学材料科学与工程系，硅材料国家重点实验室，浙江杭州（310027） E-mail ：Zhutj@https://www.wendangku.net/doc/ab14149663.html, 摘要：本文在制备大块非晶态半导体Ge 20Te 80的基础上，通过热处理使其经历从非晶到完全晶态的转变过程，利用改变热处理过程中的温度、时间参数实现了非晶纳米晶的复合。利用XRD 、Raman 和XPS 分析了整个纳米复合过程中发生的反应，明确了纳米晶析出的步骤以及过程中其微观机制。关键词：非晶；纳米晶；原位复合；热电材料中图分类号：TN304 1. 引言热电材料作为一种可以实现热能与电能之间相互转化的材料，在发电或电子制冷领域有重要的应用价值。热电器件具有无污染，无噪音，高可靠性等优点，其转换效率依赖于热电材料的无量纲热电优值()2ZT ασλ=，其中α为Seebeck 系数，σ为电导率，λ为热导率，T 为工作温度。现有的热电材料的ZT 值一般在1左右[1]，当提高到2以上时，热电转换技术才可望与传统发电和压缩机制冷技术和竞争。因此大幅度增加材料的热电优值是目前热电研究领域主要的目标。现在用来提高热电材料优值的主要方法都与纳米结构有关，一种是在块体材料内部包含纳米结构，一种是本身做成纳米材料来提高材料的热电性能。纳米结构复合法可以明显的优化材料的热电性能。研究新型热电材料的途径主要也分为两类，一种是开发块体新型热电材料体系，一种是研究热电材料纳米结构化。目前的研究趋势是以上两种方法的结合，通过各种制备技术获得具有纳米结构的块体材料。在块体热电材料中引入了低维纳米材料后，块体材料内部将产生了许多界面，这些界面的存在，可使对声子的散射比对电子的散射作用大许多，并且可以界面势垒效应显著提高材料Seebeck 系数，从而提高热电优值ZT [2]。纳米复合结构热电材料，可以是在热电材料内部添加纳米尺寸的外来相，如纳米颗粒或纳米尺寸的空洞等。理论计算表明加入自由分散的纳米颗粒能减小热导率，当尺寸足够小时，热导率减小的同时，电传输性能的变化并不明显[3]，加入的纳米颗粒在材料内部主要作为声子散射中心，从而显著的降低声子热导率。纳米材料复合到传统的块体材料里面可以显著的提高材料的热电性能，这其中有：利用固相反应和脉冲电流直接通电烧结法制备了CoSb 3/C 60复合材料[4, 5]，外加的C 60纳米颗粒在高温时显著的降低了复合材料的晶格热导率，而对电传输性能影响较小，从而有效地提高了复合材料的热电性能．与CoSb 3相比，CoSb 3+6.54％C 60复合材料的ZT 值提高了40％；ZrO 2纳米粉与half －Heusler 类型的ZrNiSn 复合[6]的研究发现，复合材料的晶格热导率因为引入了ZrO 2的纳米颗粒，增加了声子散射核心，得到显著的降低，ZrNiSn 的热电优值得到了提高。在FeSi 2等热电材料上加入SiO 2[7]，SiGe 合金中加入BN 或B 4C [8]等，都有类似的效果。对于在晶态材料内部原位的析出纳米颗粒的报道，最先是在AgPb 18SbTe 20中发现，这种结构可以显著的降低材料的热导率，从而提高材料的热电优值[9]。这种方法优点在于工艺简单，成本低廉，清洁并且可以有效的避免纳米颗粒的团聚。利用这种方法同时也可以制备其 1本课题得到国家自然科学基金(50601022; 50522203)和教育部博士点基金(20060335126)资助项目的资助。

举例说明纳米材料的结构与其性质的关系

代鹏程无机化学2009级硕博连读学号：200911461 题目：举例说明纳米材料的结构与其性质的关系答：目录 1、纳米材料定义 2、纳米材料的结构 3、纳米材料的性能 4、以量子点为例说明纳米材料结构与其性质的关系 5、以纳米线为例说明纳米材料结构与其性质的关系 1、纳米材料定义纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米，在通常情况下不超过10纳米；从广义上说，纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1～100nm）限制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂层）及三维纳米材料。 2、纳米材料的结构材料学研究认为：材料的结构决定材料的性能，同时材料的性能反映材料的结构。纳米材料也同样如此。对于纳米材料，其特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显的差异。纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元；即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。纳米材料由于非常小，使纳米材料的几何特点之一是比表面积（单位质量材料的表面积）很大，一般在102～104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如：一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒，总共有原子个数53=125个，而表面上就有约89个原子，占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如，普通材料的比表面积在10m2/g以下，其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点，从物理学的观点来看，就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来，这是一个由量变到质变的过程。一个效应我们称之为量子尺寸效应，另一个被称之为表面效应。量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时，描述它的物理规律完全不同

功能纳米晶合成、组装以及稳定性

功能纳米晶：合成、组装以及稳定性权泽卫洛斯阿拉莫斯国家实验室简介：理学博士，2000-2004在武汉大学化学基地班专业读本科，之后被保送到中国科学院长春应用化学研究所攻读博士学位（2004-2009），导师为稀土资源利用国家重点实验室林君研究员。此后在State University of New York at Binghamton（纽约州立大学宾汉姆顿分校）从事博士后研究，合作导师Prof. Jiye Fang。2012年获得J. Robert Oppenheimer Distinguished Postdoctoral Fellowship (奥本海默奖学金--美国国家实验室设立的对全球开放的最高奖学金，全球每年获奖者不超过2位)，之后就开始了在Los Alamos National Laboratory（洛斯-阿拉莫斯国家实验室）的博士后研究工作，合作导师为Dr. Hongwu Xu。科研工作主要集中在各种功能纳米材料的合成、组装和稳定性研究。截止目前，在Journal of the American Chemical Society、Nano Letters、Accounts of Chemical Research、Nano Today 等学术期刊发表论文73篇，总引用数为2767，H-index为30。报告摘要：基于其独特的量子尺寸效应，纳米晶的研究在多个领域受到了很大的关注，此报告将覆盖以下三个主要方面：第一，根据特殊功能材料发展的要求，我们利用高温溶液技术制备了多种纳米晶（包括稀土，半导体以及贵金属），并且成功控制纳米晶的晶体结构，形貌，尺寸，表面配体，结构组分包括掺杂等各个方面。第二，高质量的纳米晶是组装器件的理想构建基元，同时也是发现纳米晶新的整体性质的基础。在前期工作基础上，我们的研究集中在利用基于同步辐射的小角x衍射（SAXS）和掠入小角x衍射（GISAXS）技术来研究非球形纳米晶的组装行为，发现了出乎预料的组装结构。第三，当材料处于纳米尺度时，其结构的稳定性是非常重要的一个研究方

举例说明纳米材料的结构与其性质的关系.

代鹏程无机化学2009级硕博连读学号:200911461 题目:举例说明纳米材料的结构与其性质的关系答: 目录 1、纳米材料定义 2、纳米材料的结构 3、纳米材料的性能 4、以量子点为例说明纳米材料结构与其性质的关系 5、以纳米线为例说明纳米材料结构与其性质的关系 1、纳米材料定义纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米,在通常情况下不超过10纳米;从广义上说,纳米材料,是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100nm限制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团簇(几十个原子的聚集体和纳米微粒;一维纳米纤维;二维纳米微粒膜(涂层及三维纳米材料。 2、纳米材料的结构材料学研究认为:材料的结构决定材料的性能,同时材料的性能反映材料的结构。纳米材料也同样如此。对于纳米材料,其特性既不同于原子,又不同于结晶体,可以说它是一种不同于本体材料的新材料,其物理化学性质与块体材料有明显的差异。

纳米材料的结构特点是:纳米尺度结构单元,大量的界面或自由表面,以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上,大多数纳米粒子呈现为理想单晶,也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元;即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成,这些原子严格地位于晶格位置;界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成,这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。纳米材料由于非常小,使纳米材料的几何特点之一是比表面积(单位质量材料的表面积很大,一般在102~104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如:一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒,总共有原子个数53=125个,而表面上就有约89个原子,占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如,普通材料的比表面积在10m2/g以下,其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点,从物理学的观点来看,就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来,这是一个由量变到质变的过程。一个效应我们称之为量子尺寸效应,另一个被称之为表面效应。量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时,描述它的物理规律完全不同于宏观(普通材料的规律,不但要用描述微观领域的量子力学来描述,同时要考虑到有限边界的实际问题。关于量子尺寸效应处理物理问题,到目前为止,还没有一个较为成熟的适用方法。表面效应是由于纳米材料表面的原子个数不可忽略,而表面上的原子又反受到来自体内一侧原子的作用,因此它很容易与外界的物质发生反应,也就是说它们十分活泼。纳米材料由于这两上特殊效应的存在,使得它们的物理、化学性质完全不同于普通材料。目前许多实验和应用结果已经证实,纳米材料的熔点、磁性、电容性、发光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。例如,将金属铜或铅做成几个纳米的颗粒,一遇到空气就会燃烧,发生爆炸;用碳纳米管做成的超级电容器,其体积比电

纳米材料与纳米结构复习内容-答案

纳米材料与纳米结构复习题 1．简单论述纳米材料的定义与分类。答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料可分为三大类：零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。 2．通过Raman光谱中如何鉴别单壁和多壁碳纳米管？如何计算单壁碳纳米管的直径？答：利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线，这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。 100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰，单臂纳米管特有的环呼吸振动模式；1609cm-1，这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比，即d = 224/w d：单壁管的直径，nm；w：为特征拉曼峰的波数cm-1 3．论述碳纳米管的生长机理。答：采用化学气相沉积（CVD)在衬底上控制生长多壁碳纳米管。原理：首先，过镀金属(Fe ,Co, Ni)催化剂颗粒吸收和分解碳化合物，碳与金属形成碳-金属体，随后碳原子从过饱和的催化剂颗粒中析出，为了便于碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有较大的表面积的材料承载。各种生长模型：1、五元环－七元环缺陷沉积生长 2、层－层相互作用(lip-lip interaction)生长3、层流生长(step flow)4、顶端生长(tip growth)5、根部生长(base growth)6、喷塑模式生长(extrusion mode) 7、范守善院士：13C 同位素标记，多壁碳纳米管的所有层数同时从催化剂中生长出来的，证明了“帽”式生长(yarmulke)的合理性；“帽”式生长机理：不是生长一内单壁管，然后生长外单壁管；而是在从固熔体相处时，开始就形成多层管。 4．论述气相和溶液法生长纳米线的基本原理。答： 5．解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。答：红外吸收带的宽化原因：纳米氮化硅、SiC、及Al2O3粉对红外有一个宽频带强吸收谱，这是由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下，它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布。这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。蓝移原因：与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。表面效应：由于纳米微粒尺寸小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化物小粒子研究表明：第一近邻和第二近邻的距离变短。键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数。（化学键的振动）

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