《纳米材料基础与应用》课程教学课件（PPT讲稿）第七章 二维纳米材料

纳米材料基础与应用 第7章三维纳米材料

纳米材料基础与应用 第7章 二维纳米材料

纳米片(nanoflake), 纳米板(nanoplate纳米薄膜 一维尺度为纳米级，面状分布 (nanofilm),纳米涂层(nanocoating),单层膜(monolay- er),纳米多层膜(nano multilayer) 二维纳米材料 面状分布，厚度大于100nm, 纳米结构薄膜(nanostructured film),纳米结构涂层 具有纳米结构 (nanostructured coating) ● 纳米薄膜：第六章内容 ● 纳米片：石墨烯 2

纳米材料基础与应用 2 ⚫ 纳米薄膜：第六章内容 ⚫ 纳米片：石墨烯

引言 ●薄膜是 次畫素 物或复合 (a) 物，无机 畫素 保護玻璃 ●薄膜与块 前偏光片 前導電玻璃 ● 薄膜在工 彩色瀘光片 的，有用 (b) ITO 于催化反 後導電玻璃 于电子信 息技术， 後偏光片 背光模組 ●这不仅为 TFT LED 了决定性 的作用，而且通过薄膜组合还可产生许多新的特殊功能，薄膜产业在现代 电子工业领域中占有极其重要的地位 ●纳米薄膜作为一种新型功能薄膜，必将有着重要的研究意义和作用。 手玉

纳米材料基础与应用 3 引言 ⚫ 薄膜是一种物质形态，薄膜基质材料十分广泛，单质元素、化合物或复合 物，无机材料或有机材料均可用于制作薄膜。 ⚫ 薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、多晶态的或单晶态的。 ⚫ 薄膜在工业上有着广泛的应用，从应用范围看，有用于气体分离的，有用 于催化 反应的，还有用于防腐蚀或装饰的，特别是很多薄膜可用于电子信 息技术，功能各种各样。 ⚫ 这不仅为电子制品的小型化、轻量化、高密度化和高可靠性发挥了决定性 的作用，而 且通过薄膜组合还可产生许多新的特殊功能，薄膜产业在现代 电子工业领域中占有极其重 要的地位 ⚫ 纳米薄膜作为一种新型功能薄膜，必将有着重要的研究意义和作用

纳米薄膜的分类与结构 ●纳米薄膜的定义：纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的颗粒（晶粒）构成的薄 膜或者层厚在纳米量级的单层或多层薄膜。纳米颗粒薄膜，纳米多层薄膜。 ●纳米薄膜的性能强烈依赖于晶粒（颗粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多 层膜的结构。 ●与普通薄膜相比，纳米薄膜具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电 阻效应、巨霍尔效应、可见光发射等。 ●纳米薄膜可作为气体催化（如汽车尾气处理）材料、过滤器材料、高密度磁 记录材料、光敏材料、平面显示材料及超导材料等，其独特的光学、力学、 电磁学与气敏特性在重工业、轻工业、军事、石化等领域表现出广泛的应 用前景 4

纳米材料基础与应用 4 纳米薄膜的分类与结构 ⚫ 纳米薄膜的定义 ：纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的颗粒（晶粒）构成的薄 膜或者层厚在纳米量级的单层或多层薄膜。纳米颗粒薄膜，纳米多层薄膜。 ⚫ 纳米薄膜的性能强烈依赖于晶粒 (颗粒)尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多 层膜的结构。 ⚫ 与普通薄膜相比，纳米薄膜具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电 阻效应、巨霍尔效应、可见光发射等。 ⚫ 纳米薄膜可作为气体催化(如汽车尾气处理)材料、过滤器材料、高密度磁 记录材料、光敏材料、平面显示材料及超导材料等，其独特的光学、力学、 电磁学与气敏特性在重工业、轻工业、军事、石化等领域表现出广泛的应 用前景

纳米薄膜的分类与结构 纳米薄膜的分类 1.按用途划分：纳米功能薄膜与纳米结构薄膜 √纳米功能薄膜是利用纳米微粒所具有的电、光、磁等方面的特性，通过 复合的方法使新材料具有基体所不具备的特殊功能； √纳米结构薄膜主要是通过纳米微粒复合，对材料力学进行改性，以提高 材料在机械方面的性能为主要目的。 哑 REVO镀膜更清晰 近视架三副镜片抗UV 未坡像的会属图1已娘质的金属

纳米材料基础与应用 5 纳米薄膜的分类与结构 纳米薄膜的分类 1. 按用途划分:纳米功能薄膜与纳米结构薄膜 ✓ 纳米功能薄膜是利用纳米微粒 所具有的电、光、磁等方面的特性，通过 复合的方法使新材料具有基体所不具备的特殊功能； ✓ 纳米结构薄膜主要是通过纳米微粒复合，对材料力学进行改性，以提高 材料在机械 方面的性能为主要目的

纳米薄膜的分类与结构 C02H0 2.按层数划 OSnO2 nanoparticle 。noble metal catalyst 3按微结构 寸厚度的薄膜 √纳米微粒c 纳米微粒或原子团， 该薄膜仍 √而纳米尺 子特征散射的平均自 由程，因 能 4按组分划 5按薄膜的 6按薄膜的应用划分：纳米光学薄膜、纳米电学薄膜、纳米耐磨损与润滑膜、 纳米磁性薄膜、纳米气敏薄膜、纳米滤膜 Conventional AR Coating Foggy guard coating 米小

纳米材料基础与应用 6 2.按层数划分:纳米单层薄膜和纳米多层薄膜。 3 按微结构划分:含有纳米微粒与原子团簇的薄膜和纳米尺寸厚度的薄膜 ✓ 纳米微粒基质薄膜厚度可超出纳米量级，但由于膜内有纳米微粒或原子团， 该薄膜仍然会呈现出一些奇特的调制掺杂效应； ✓ 而纳米尺寸厚度的薄膜，其厚度在纳米量 级，接近电子特征散射的平均自 由程，因而具有显著的量子统计特性，可组装成新型功能 4 按组分划分:有机纳米薄膜和无机纳米薄膜 5 按薄膜的构成与致密性划分:颗粒薄膜和致密薄膜 6 按薄膜的应用划分：纳米光学薄膜、纳米电学薄膜、纳米耐磨损与润滑膜、 纳米磁性薄膜、纳米气敏薄膜、纳米滤膜 纳米薄膜的分类与结构

纳米薄膜的分类与结构 ● 纳米薄膜的结构特点 1纳米颗粒膜的结构 纳米颗粒薄膜式纳米微粒镶嵌于薄膜母体中所构成的复合材料体系。它是由 纳米微粒与另一异相物质包括孔隙、非晶质或其他材料等所组成 √可分为纳米孔隙与纳米复合两类薄膜，因此颗粒膜虽然外观上为二维体 系，但实质上是以零维体系的纳米微粒为主。因此颗粒薄膜区别于合金 和化合物，属于非均匀相组成的材料。 √ 金属金属、金属绝缘体、金属半导体、半导体半导体、超导体绝缘 体 √ 纳米颗粒薄膜的性质还与颗粒的尺寸、颗粒的间距、颗粒之间及颗粒与 母体之间的相互作用、颗粒材料的体积百分比及界面构型等因素有着紧 密的关系。通过控制成分和制备工艺，可以获得纳米量级的颗粒，从而 使材料呈现尺寸效应

纳米材料基础与应用 7 纳米薄膜的分类与结构 ⚫ 纳米薄膜的结构特点 1 纳米颗粒膜的结构 纳米颗粒薄膜式纳米微粒镶嵌于薄膜母体中所构成的复合材料体系。它是由 纳米微粒 与另一异相物质包括孔隙、非晶质或其他材料等所组成 ✓ 可分为纳米孔隙与纳米复合两类薄膜，因此颗粒膜虽然外观上为二维体 系，但实质上是以 零维体系的纳米微粒为主。因此颗粒薄膜区别于合金 和化合物，属于非均匀相组成的材料。 ✓ 金属-金属、金属_绝缘体、金属-半导体、半导 体-半导体、超导体-绝缘 体 ✓ 纳米颗粒薄膜的性质还与颗粒的尺寸、颗粒的间距、颗粒之间及颗粒与 母体之间的相互作用、颗粒材料的体积百分比及界面构型等因素有着紧 密的关系。通过控制成分和制备工艺，可以获得纳米量级的颗粒，从而 使材料呈现尺寸效应

纳米薄膜的分类与结构 Glass FTO TiO, SnO, 2纳米多月 纳米多层 W 纳米多层膜的 结构，一舟 晶层和成分混 合区。 (a) (b) (c) (a) 为的 1 um 500nm 勇 8

纳米材料基础与应用 8 纳米薄膜的分类与结构 以蘑菇形状的高分子聚集体为 结构单元自组装成纳米结构的 超分子多层膜 2 纳米多层膜的结构 纳米多层膜中各层的成分都是由接近化学计量比的成分构成。纳米多层膜的 结构，一般多层膜的结构界面平直清晰，看不到明显的界面非晶层和成分混 合区

纳米薄膜的特性及其应用 1.纳米薄膜的电学性能 √纳米薄膜的电学特性不仅与纳米薄膜的厚度有关，而且还与纳米薄膜中 的颗粒的尺寸有关。 金属，当尺寸减小到纳米数量级时，其电学行为发生很大的变化。有人 在Au/AI2O3的颗粒膜上观察到电阻反常现象，随着Au含量的增加（增 加纳米Au颗粒的数量)，电阻不但不减小，反而急剧增加。 √PECVD法纳米晶Si膜，电导率大大增加，比常规非晶S膜提高了9个数 量级，纳米晶Si膜的电导率为1Sm1,而非晶膜的电导率为109Sm1。 量子尺寸效应 玉用 9

纳米材料基础与应用 9 纳米薄膜的特性及其应用 1. 纳米薄膜的电学性能 ✓ 纳米薄膜的电学特性不仅与纳米薄膜的厚度有关，而且还与纳米薄膜中 的颗粒的尺寸有关。 ✓ 金属，当尺寸减小到纳米数量级时，其电学行为发生很大的变化。有人 在Au／Al2O3的颗粒膜上观察到电阻反常现象，随着Au含量的增加(增 加纳米Au颗粒的数量)，电阻不但不减小，反而急剧增加。 ✓ PECVD法纳米晶Si膜，电导率大大增加，比常规非晶Si膜提高了9个数 量级，纳米晶 Si膜的电导率为1S·m-1，而非晶膜的电导率为10-9S·m-1 。 量子尺寸效应

2、纳米薄膜的光学性能 ●由于具有小尺寸效应、量子尺寸效应以及界面效应，因而当膜厚度减小 时，大多数纳米薄膜能隙将有所增大，会出现吸收光谱的蓝移与宽化现 象纳米薄膜两个突出的特性。 √吸收光谱的移动与宽化 ·由于量子尺寸效应以及界面效应，当膜厚度减小时，大多数纳米薄膜能 隙将有所增大，会出现吸收光谱的蓝移与宽化现象。 ·另外一些纳米薄膜中，由于随着晶粒尺寸的减小，内应力增加以及缺陷 数量增多等因素，材料的电子波函数出现了重叠或在能级间出现了附加 能级，又使得这些纳米薄膜的吸收光谱发生了“红移” 本 10

纳米材料基础与应用 10 ⚫ 由于具有小尺寸效应、量子尺寸效应以及界面效应，因而当膜厚度减小 时，大多数纳 米薄膜能隙将有所增大，会出现吸收光谱的蓝移与宽化现 象纳米薄膜两个突出的特性。 ✓ 吸收光谱的移动与宽化 • 由于量子尺寸效应以及界面效应，当膜厚度减小时，大多数纳米薄膜能 隙将有所增大，会出现吸收光谱的蓝移与宽化现象。 • 另外一些纳米薄膜中，由于随着晶粒尺寸的减小，内应力增加以及缺陷 数量增多等因素，材料的电子波函数出现了重叠或在能级间出现了附加 能级，又使得这些 纳米薄膜的吸收光谱发生了“红移” 2、纳米薄膜的光学性能