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
的形貌完全呈现出树枝晶形态。

(e)中有2种形状的银纳米粒子存在，其中多面体形状粒子占80%左右，形状有正方、六方等，尺寸在0.8～1.5 μm 之间，另一种银纳米粒子以枝晶形态存在。

图1 Ag纳米晶体的SEM[3]
材料的结构决定性能。

研究金属纳米微粒在小尺寸状态下的晶体结构稳定性，可以拓展人们对纳米微粒更深层次的认识，并对于纳米微粒的制备和实际应用有重要的参考价值。

李亚军[4]等建立了金属纳米微粒的结合能模型，该模型以微粒尺寸、形状因子和密堆因子为主要参数。

通过计算V、Cr、Nb、Mo、Ta、W 和Fe 元素纳米微粒的结合能。

结果表明：在一定形状下，在一定临界尺寸时各纳米微粒bcc结构和fcc结构的结合能相等；当微粒尺寸大于该临界尺寸时，bcc结构更稳定，小于该尺寸时，fcc结构更稳定。

2金属氧化物纳米晶体
目前制备纳米尺度的金属氧化物晶体通常是采用液相法，韦志仁等[5]以钛酸钠纤维SnCl4·5H2O 为前驱物，在pH值为11，温度180℃，反应24小时后经水热处理，在钛酸钠纤维表面上生长了大量定向排列的纳米SnO2晶体。

朱俊武等[6]采用溶剂热法以Cu(NO3)2为原料，乙二醇为溶剂和还原剂，制得了不同形貌的纳米Cu2O。

氧化亚铜作为一种重要的无机化工原料,在涂料、红色玻璃、催化剂等领域有着广泛的用途。

此实验用高氯酸铵催化分解来表征纳米Cu2O晶体的性能。

如图2所示不同形貌的纳米Cu2O均能强烈催化高氯酸铵的热分解,使高氯酸铵的高温分解温度下降了约104 ℃,不规则状的纳米Cu2O使高氯酸铵的分解放热量由590J/g 增至1450J/g ,而短棒状的纳米Cu2O 对于高氯酸铵的低温分解催化作用较强,使得高氯酸铵的低温分解温度下降了约48 ℃。

图2 高氯酸铵中添加2%（wt）Cu2O的DTA曲线[6]
张学俊等[7]采用采用液相法( 溶胶-凝胶法) 在阴离子交换树脂和乙醇溶剂的辅助作用下直接合成纳米级的SnO2晶体和掺杂的SnO2晶体, 经乙酸异戊酯为溶剂共沸干燥后得到高分散性的纳米微粉。

此合成方法是在有机溶剂条件下控制水分, 以强阴离子交换树脂作为反应剂, 在提供反应剂OH-的同时吸附上金属盐中的阴离子( Cl-, NO3-等) ,合成出高纯度的金属氢氧化物, 由于金属氢氧化物通常有着很强的失水生成氧化物的倾向, 而这一倾向在有机溶剂(如乙醇)中变得更加的明显, 更容易失水生成氧化物, 并随着合成反应的进行逐渐生成一定尺寸的纳米晶体。

未经高温灼烧直接合成的(掺杂)金属氧化物纳米晶体表现出很高催化活性和抗菌杀菌能力, 因为它们表面仍保留大量的羟基, 更有利于与水分子、有机溶剂、有机化合物亲和。

所以在无机催化剂的合成上, 液相法直接合成金属氧化物纳米晶体是十分重要的。

3其他纳米晶体
王威等[8]以高纯硅为靶材，利用直流磁控溅射法在P型硅（111）衬底上生长硅纳米晶体薄膜,并在600摄氏度温度下退火处理。

应用扫描电镜观察发现制备的硅纳米晶体粒度均匀，薄膜粗糙度小。

X 射线衍射仪分析发现硅纳米晶体具有（201）晶面取向生长的特点。

与块体材料相比，硅纳米晶体不仅具有良好的电学性能，还具有良好的光学性能，其吸收谱包含本征、激子和自由载流子等丰富的吸收峰。

许荣辉等[9]采用水热法制备了尺寸在50nm左右的氢氧化镁纳米晶，他们发现氢氧化镁纳米晶属于六方结构，ICDD编号为44-1482。

影响纳米晶氢氧化镁尺寸的合成因素有很多，但是主要有反应物配比、反应物浓度及反应温度及保温时间。

纳米晶氢氧化镁快速分解的温度范围为350.7～397.8℃，吸热量为876.7J·g-1，其分解吸热集中，吸热量比常规微米级大２４％，其作为阻燃剂显然比微米级性能优越。

4总结
随着人们对纳米晶体认识的不断深入，纳米晶体材料的研究将向深度化发展，研发水平也将不断提高，晶体研究的方向也将从晶态转向非晶态，从体晶体转向薄膜晶体，从体性质转向表面性质，从无机扩展到有机。

总之，目前人们对纳米晶体材料的认识还只局限于很小
的一个领域，还有许多未知领域等待着科研工作者去研发。

参考文献
[1] 刘伟，唐永建，楚广，等. 金属Cu纳米晶体的显微硬度及微结构研究[J]. 材料科学与工艺. 2006(2): 127-130.
[2] 李才巨，张继东，朱心昆，等. 高能球磨法制备纯铝纳米晶材料的研究[J]. 粉末冶金技术. 2006(6): 457-459.
[3] 张吉晔，陈福义，闫晓红. 沉积电位对银纳米晶体生长形态的影响[J]. 贵金属. 2011(2): 27-31.
[4] 李业军，齐卫宏，黄伯云，等. 金属纳米微粒晶体结构的稳定性及其结合能[J]. 中国有色金属学报. 2009(3): 543-548.
[5] 韦志仁，张利明，周洋，等. 钛酸钠纤维表面自组织生长SnO_2纳米晶体[J]. 无机化学学报. 2009(1): 180-183.
[6] 朱俊武，王艳萍，张莉莉，等. 乙二醇体系中纳米Cu_2O的制备及其性能研究[J]. 材料科学与工程学报. 2006(2): 209-211.
[7] 张学俊，付立业，张萌萌，等. 液相法合成纳米金属氧化物晶体[J]. 材料工程. 2008(10): 53-59.
[8] 王威，丁澜，马锡英. 磁控溅射法制备硅纳米晶体及其光电特性研究[J]. 中国科技信息. 2011(7): 33-34.
[9] 许荣辉，石海涛，任凤章，等. 纳米氢氧化镁晶体阻燃剂的制备及其性质[J]. 河南科技大学学报(自然科学版). 2010(5): 8-11.。