纳米材料合成技术

纳米结构材料具有特殊的物理化学性质，例如热传导、电子传输、电化学催化等，在医疗、新能源转换器件及传感器件等领域具有巨大的应用前景，是目前材料及其相关交叉学科研究的热点。研究纳米材料的合成工艺及结构控制对丰富纳米材料的形成理论及扩展应用场景具有重要的意义。本书主要探讨了纳米材料的合成理论、不同结构纳米材料的制备工艺及特性。
《纳米材料合成技术》以纳米材料的基本合成原理为基础，以不同纳米结构材料合成特征为主要脉络，系统讨论了一维纳米结构材料、二维纳米结构材料及特殊纳米结构材料的合成工艺及机制。主要内容包括纳米材料的生长机制，零维纳米结构材料、一维纳米结构材料、二维纳米结构材料、特殊纳米结构材料的合成及理化特性，涉及纳米材料的基本概念、制备方法等。通过对本书的阅读，读者能够基本了解不同纳米结构纳米材料的合成原理及合成工艺，并能够理解不同纳米材料结构的特性与合成工艺的关系。
本书的主要特色是在纳米结构材料基本形成理论的基础上，系统地总结了不同纳米结构材料的合成特点及工艺控制。在本书的编写过程中，邸永江对内容提出了中肯的建议，李沁兰、尚凤杰全面参与了全书的校对工作，在此致以衷心的感谢。
由于时间仓促，作者水平有限，书中存在的疏漏或不妥之处，敬请读者批评指正。

石永敬
2023.11

《纳米材料合成及特性》内容包括纳米材料的生长机制、零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、特殊结构纳米材料、纳米材料的物理化学性能、纳米材料的特性及应用。《纳米材料合成及特性》先论述纳米材料的合成机制，再分别对不同结构类型的纳米材料合成进行论述，最后再全面论述纳米材料的物理化学性能及特性、应用等。《纳米材料合成及特性》可供高等院校材料类专业本科、研究生教学使用，也可供从事掺杂半导体材料器件研究、开发工作的科技人员参考。

石永敬，重庆科技学院冶金与材料工程学院，副教授，自从2012年该校功能材料专业建立开始，就在功能材料专业从事教学工作。先后通过青年学者重点培育项目前往中国科技大学做访问学者，通过留学基金委项目前往美国乔治亚理工大学及南卡大学留学。2016年开始承担电子元器件课程的教学任务，对功能材料专业教学有深刻的体会，对功能材料专业学生培养目标及专业特色定位有切实的实践感受。

1　绪论　1
1.1　自然界中的纳米现象 1
1.1.1　荷叶效应 1
1.1.2　生物光子晶体 3
1.1.3　生物吸附效应 4
1.2　纳米材料与纳米结构 5
1.3　纳米技术的发展 6
1.4　纳米技术的挑战 7

2　纳米材料的生长机制　9
2.1　胶体的气相合成 9
2.1.1　成核热力学 10
2.1.2　成核定律 12
2.2　胶体液相特性描述 12
2.2.1　表面能 12
2.2.2　表面电荷密度 17
2.2.3　范德瓦耳斯吸引势 19
2.2.4　两粒子间相互作用 20
2.2.5　胶体溶液的空间特征 22
2.3　均相成核与生长 25
2.3.1　经典成核热力学 25
2.3.2　经典生长动力学 27
2.3.3　LaMer 理论 29
2.4　纳米粒子的生长机制 30
2.4.1　合并生长 30
2.4.2　Ostwald 熟化 33
2.4.3　取向连生 36
2.4.4　取向生长和Ostwald 熟化协同作用 41
2.5　非均相生长 43
2.5.1　非均相成核基础 43
2.5.2　气固生长 45
2.5.3　气相-液相-固相生长 48
2.6　总结 49

3　零维纳米结构材料　50
3.1　液相还原合成体系 50
3.1.1　液相还原成核与生长控制 50
3.1.2　有机溶剂体系 52
3.1.3　水溶剂体系 62
3.1.4　晶种诱导法 65
3.2　均相成核法 69
3.2.1　溶胶-凝胶法 69
3.2.2　强制水解法 74
3.3　气溶胶合成 75
3.4　模板诱导合成 79
3.4.1　微乳液法 79
3.4.2　生物模板法 82
3.5　总结 83

4　一维纳米结构材料　84
4.1　自发生长 84
4.1.1　蒸发-冷凝生长 85
4.1.2　溶解-冷凝生长 87
4.1.3　气相-液相-固相生长 89
4.1.4　溶液-液态-固态生长 92
4.2　模板合成 93
4.2.1　电化学沉积 94
4.2.2　电泳沉积 97
4.2.3　模板填充 100
4.2.4　化学反应转换 102
4.3　水热/溶剂热法合成 104
4.3.1　水热/溶剂热法合成纳米材料的影响因素 104
4.3.2　水热/溶剂热法合成一维纳米线 107
4.3.3　水热/溶剂热法合成纳米管 114
4.4　总结 116

5　二维纳米结构材料　117
5.1　石墨烯材料的制备 117
5.1.1　剥离法 117
5.1.2　SiC 表面外延生长法 121
5.1.3　化学气相沉积法 123
5.1.4　偏析生长石墨烯 134
5.1.5　石墨烯的转移 135
5.2　过渡金属双硫化合物 142
5.2.1　剥离法 142
5.2.2　化学气相沉积法 145
5.2.3　液相法 145
5.2.4　水热/溶剂热法 146
5.2.5　二维TMDC 纳米材料的表面修饰 147
5.3　二维纳米片 149
5.3.1　液相还原法 149
5.3.2　水热/溶剂热法 152
5.3.3　化学浴沉积法 152
5.4　总结 153

6　特殊纳米结构材料　154
6.1　微孔和介孔纳米材料 154
6.1.1　有序介孔纳米材料 154
6.1.2　表面修饰的有序介孔纳米材料 159
6.1.3　无序介孔纳米材料 162
6.1.4　晶态微孔纳米材料 164
6.2　核壳结构材料 167
6.2.1　无机-无机核壳纳米结构 167
6.2.2　无机-有机核壳纳米结构 168
6.2.3　纳米多孔结构及纳米框结构 171
6.3　纳米阵列 174
6.3.1　纳米花结构 175
6.3.2　一级纳米阵列 178
6.3.3　多级纳米阵列 183
6.4　总结 187

7　纳米材料的物理化学性能　188
7.1　电子能级的特性 188
7.2　纳米材料的物理特性 191
7.2.1　热学性能和晶格常数 191
7.2.2　力学性能 194
7.2.3　光学性能 195
7.2.4　电导 199
7.2.5　铁电体和电介质 202
7.2.6　超顺磁性 203
7.3　纳米微粒的化学特性 204
7.3.1　吸附 204
7.3.2　纳米微粒的分散与团聚 206
7.3.3　纳米微粒的表面活性和催化作用 207
7.3.4　光催化性能 208

附录　211

参考文献213

《纳米材料合成及特性》内容包括纳米材料的生长机制、零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、特殊结构纳米材料、纳米材料的物理化学性能、纳米材料的特性及应用。《纳米材料合成及特性》先论述纳米材料的合成机制，再分别对不同结构类型的纳米材料合成进行论述，最后再全面论述纳米材料的物理化学性能及特性、应用等。《纳米材料合成及特性》可供高等院校材料类专业本科、研究生教学使用，也可供从事掺杂半导体材料器件研究、开发工作的科技人员参考。

石永敬，重庆科技学院冶金与材料工程学院，副教授，自从2012年该校功能材料专业建立开始，就在功能材料专业从事教学工作。先后通过青年学者重点培育项目前往中国科技大学做访问学者，通过留学基金委项目前往美国乔治亚理工大学及南卡大学留学。2016年开始承担电子元器件课程的教学任务，对功能材料专业教学有深刻的体会，对功能材料专业学生培养目标及专业特色定位有切实的实践感受。