第一章 绪论
§1.1 纳米材料在结构方面的分类
纳米材料是整个纳米科学与技术领域的重要组成部分，它涉及纳米材料的结构、性能、应用以及纳米材料的制备工艺和检测手段等.各个纳米研究领域，例如纳米电子学、纳米化学、纳米生物学等，都涉及纳米材料的研究.
1.1.1 纳米材料的分类
“纳诺”作为SI词头是英文单词nano的音译字，它的因数是10-9，简称“纳”（在我国台湾又作“奈”字）.纳米（nanometer，简做nm）是一个尺度的概念，公认的纳米材料尺度定义为1～100 nm的范围.一般地讲，当构成材料的基本单元在立体空间有一个或多个方向是处于纳米尺度，则可把这种材料看做纳米材料.纳米科学指的是除了材料具有纳米尺度之外，还应同时具有该尺度下所表现出的特有性能.
在几何中，把一个点视为没有大小，没有面积和体积；把一条线视为只有长度，而没有宽度；把一个面视为具有长度和宽度，而没有厚度.几何中的点、线、面的概念延伸到纳米材料领域，可以分别称为零维、一维和二维.
（1）零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的三个方向均在纳米尺度，如纳米粒子、原子团簇等；
（2）一维纳米材料：类似于线状结构，立体空间的三个方向只有两个方向在纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等；
（3）二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的三个方向仅有一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、纳米多层膜、超晶格薄膜等.
以上这些基本单元若在一定条件下表现出纳米科学意义上的量子性质，那么可以分别称为量子点、量子线和量子阱.
1.1.2 零维纳米材料的结构
原子团簇是纳米材料的最小单元，它是指几个到几百个原子的聚集体，尺寸在1nm左右.原子团簇可分为一元原子团簇（由单一元素的原子组成）、二元原子团簇（由两种元素的原子组成）和多元原子团簇（由多种元素的原子组成）.这些原子团簇可以是原子的聚合，也可以是原子的化合.金属元素和某些非金属元素都可以形成原子团簇，如Na，Ni分别形成Nan，Nin团簇（n为正整数），C形成C60，C32或C70等多种团簇，In和P形成InnPm团簇（m为正整数）等.
透射电子显微镜（transmission electron microscope，简称TEM）可把纳米粒子放大10万倍以上，人们可以清楚地看到纳米材料的结构.图1-1是Ag经蒸发，沉积在SiO2基底上的Ag纳米粒子形貌图.这些Ag微粒是孤立分布在基底上的，如果蒸发沉积的Ag原子多了，Ag微粒会长大，某些Ag微粒会相连，形成类似于网络的结构，用结构学上的名词称为迷津结构，如图1-2所示.如果沉积的Ag原子不断增多，会导致Ag连成一片，而形成薄膜.
图1-1 在SiO2基底上的Ag孤立纳米粒子形貌
图1-2 Ag纳米粒子在SiO2基底上形成的网络结构形貌
图1-3 C60结构示意图
20世纪80年代，人们发现由60个C原子组成的C60原子团簇［1～6］.它的结构外形像个足球，60个C原子排列在一个截角20面体的顶点上，构成一个中空球体，它的表面总共由32个小表面组成，包括20个六边形和12个五边形，如图1-3所示.C60的直径为0.7nm.若考虑到C原子的直径为0.34nm，则C60的球体中心有一个直径为0.36nm的空腔.
此外，化学分子、生物病毒等也属于纳米粒子.
1.1.3 一维纳米材料的结构
C原子排列成不同的结构就会形成不同的材料.我们知道，C原子排列成层状结构就是石墨；如果C原子排列在一个由三角形构成的正四面体的顶点位置，就是硬度极高的金刚石.如果把石墨的某一层卷成一个筒，这就是碳纳米管的基本形态.当卷曲的石墨层数不同，或卷曲的角度不同，或卷曲的直径不同，就会形成不同的碳纳米管.
图1-4 电子显微镜下的碳纳米管形貌
（a）多壁碳纳米管；（b）双壁碳纳米管
碳纳米管是近年来纳米科技研究中的热门课题［7～11］.碳纳米管有单壁和多壁之分，多壁碳纳米管由几个到几十个单壁碳纳米管同轴套装构成，如图1-4（a）所示；图1-4（b）是双壁碳纳米管，内层直径为3nm，管间距在0.34nm左右.
碳纳米管管壁侧面由C原子六边形组成，管的两端由C原子的五边形封口［12～15］，如图1-5（a）所示.此外，依据碳纳米管侧壁原子排列的不同，又可分为锯齿形碳纳米管和手性碳纳米管等［如图1-5（b），（c）所示］，它们的电子输运性能不同.
图1-5 碳纳米管的原子结构示意图
（a）单壁碳纳米管；（b）锯齿形碳纳米管；（c）手性碳纳米管
若线状纳米材料的结构是实心的，则称之为纳米棒或纳米线［16～21］，一般把长度与直径的比率小的称为纳米棒；比率大的称为纳米线，纳米线的长度一般超过1μm.在Si单晶基底上蒸镀一层厚度为40 nm的Ni后，在一定温度下Si经由Ni薄膜生长出Si纳米线，图1-6显示Si纳米线卷曲成团状［22］，如果把它们伸展开，其长度超过10 μm；图1-7显示的是横截面情况［23］.Si纳米线可以直立在基底上生长，当生长到一定长度后才会躺倒.
图1-6 Si单晶基底上生长的Si纳米线
图1-7 Si单晶基底上直立生长的Si纳米线的横截面图
1.1.4 二维纳米材料的结构
纳米薄膜包括两种结构：一种是薄膜的厚度在纳米尺度范围内，另一种是薄膜中含有纳米粒子.例如，Ag-Cs2O是光电发射薄膜，它是把Ag纳米粒子埋藏于Cs2O半导体中而构成的［24］，厚度约为100 nm.
把不同纳米薄膜按一定顺序在厚度方向上制备在一起，就构成纳米多层膜.例如，CoxAg1-x/Ag（0<x<1）多层膜可以形成巨磁电阻薄膜［25］，FeMn/FeNi/Cu/FeNi和FeNi/Cu/Co/Cu等都是巨磁电阻薄膜［26，27］.
如果逐层沉积不同结构或不同成分的材料，严格控制每层厚度，交替沉积，可形成厚度方向的周期结构，这是超晶格薄膜的基本结构特征［28～30］，如图1-8所示.两种材料的晶格常数（即原子规则排列时的间距）相近，但禁带宽度（即无附加能量条件下电子不可跃迁的能带宽度）不同，如GaAs和AlxGa1-xAs，可以构成一种超晶格薄膜，InAs和GaSb可以构成另一种超晶格薄膜.超晶格薄膜在一定条件下会出现电子的迁移，电子的迁移可以使能量发生转换.人们就是利用电子能量可转换为光子发射的原理，设计出量子阱激光器的.
图1-8 超晶格薄膜的基本结构示意图
图1-9 纳米微晶材料结构
如果材料中含有纳米微晶，如图1-9所示，它就构成了纳米微晶相材料，有时称为纳米固体材料［31］.纳米固体材料可以分为纳米晶体材料、纳米非晶材料、纳米离子晶体材料、纳米半导体材料和纳米陶瓷材料等.如果纳米固体材料由两种或多种元素的纳米粒子构成，则称为纳米复合材料.复合材料的纳米粒子可以是金属—金属微粒、金属—陶瓷微粒、金属微粒—半导体、陶瓷—陶瓷微粒、金属微粒—高分子等.纳米复合材料又可以分为均匀弥散的和非均匀弥散的.人们通过控制纳米粒子的大小、微粒间距、掺杂微粒的体积百分比等来改变复合材料的特性.在纳米相材料中，存在大量的微粒之间的界面，这些界面对材料性能的影响很大，例如，纳米陶瓷表现出的超塑性（即延展性）就与微粒界面有关.