纳米材料概述

第一节、概述第二节、纳米材料的结构与性能第三节、纳米材料的制备方法第四节、纳米材料与纳米技术的应用第五节、发展与展望第一节概述一、纳米科技的诞生二、纳米技术与纳米材料的概念三、纳米材料的分类四、纳米科技研究的重要性一、纳米科技诞生1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼在《在底部还有很大空间》的一次讲演中指出，从石器时代开始，人类所有的技术革新都与把物质做成有用的形态有关，而从物理学的规律来看，不能排除从单个分子甚至原子出发而组装制造物品的可能性。费曼憧憬说：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”他预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。费曼——纳米科技之父原子排成的“原子”字样纳米技术的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。原子构成万物的小小原子，究竟小到什么程度？中国古代有位叫公孙龙的说过：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”如果确实有这样的工具，能一直截下去的话，那么，一尺木棍每天截去一半，到第三天只剩八分之一尺；第十天只剩1千零二十四分之一尺；到第三十天，剩下十亿分之一尺，这时木棍已经比纤维分子还小；到第三十二天，只剩下四十亿分之一尺，相当于原子大小了。科学家发现，不同的原子，大小也不同。原子的直径一般是一亿分之一厘米。一个最小的细菌里面大约可以容纳20亿个原子。氢原子的直径为1埃。化学家常常自豪地说：“化学是一门在原子分子水平上研究物质的结构、性质、变化规律和应用的科学。”但是真正“看见”原子和分子却是20世纪80年代后期的事，距离道尔顿提出原子论的时间差不多有2个世纪。原子小于光的波长，单个原子对光是透明的。光学显微镜怎么改进都不可能看到原子。十个氢原子紧密排列——1nm颗粒——乒乓球——地球怎样看见和操纵原子？纳米世界的眼和手—扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技的发展起到了巨大的推进作用。STM是20世纪80年代世界十大科技成就之一。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型显微仪器，能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可以作为在极其细微的尺度──即纳米尺度（1nm=10-9m）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。一门新兴的学科──纳米科学技术已经应运而生。20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家G．Binnig和H．Roher发明了扫描隧道显微镜。这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。为此这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。扫描隧道显微镜科学家使用STM观测物质的纳米结构STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0．01nm)，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应和扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(＜1nm)，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可把表面的信息；(表面形貌和表面电子态)记录下来。由于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际上掀起了研制和应用STM的热潮，推动了纳米科技的发展。STM针尖扫描隧道显微镜工作原理示意图纳米算盘C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。硅表面纳米皇冠StructureofSodiumChlorideImagesofNaClobtainedusingScanningTunnelingMicroscopeAFM弥补STM的局限有人发现利用探针针尖与表面之间的各种相互作用，可以用来分析高分辨率成像。1986年宾尼戈等人发明了利用激光检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。该仪器称为原子力显微镜（ATM）。STM与ATM共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（SPM）的两大主体技术。AFM又弥补了STM的局限，使被测试样扩大到非导电领域。原子力显微镜（atomicforcemicroscope简称AFM)：利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号，维持针尖——样品间作用力恒定，同时针尖在样品表面扫描，从而得知样品表面的高低起伏。原子间作用力的检测主要由光杠杆技术来实现。如果探针和样品间有力的作用，悬臂将会弯曲。为检测悬臂的微小弯曲量（位移），采用激光照射悬臂的尖端，四象限探测器就可检测出悬臂的偏转。通过电子学反馈系统使弯曲量保持一定，即控制扫描管Z轴使作用于针尖——样品间的力保持一定。在扫描的同时，通过记录反馈信号就可以得到样品表面的形貌。目前除了隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）以外，还有近场光学显微镜（NSOM）、侧面力显微镜（IFM）、磁力显微镜（MFM）、极化力显微镜（SPFM）……已有二十多个品种。但大量还处在实验室的产品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜（SPM）。二、纳米技术与纳米材料的概念过去，人们只注意原子、分子或者宏观物质，常常忽略纳米这个中间领域，而这个领域大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。蜜蜂、海龟不迷路----体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。二、纳米技术与纳米材料的概念纳米就在我们身边纳米（nm）实际上是一种长度单位，1纳米仅等于十亿分之一米，人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。纳米小得可爱，却威力无比，它可以对材料性质产生影响，并发生变化，使材料呈现出极强的活跃性。科学家们说，纳米这个“小东西”将给人类生活带来的震憾，会比被视为迄今为止影响现代生活方式最为重要的计算机技术更深刻、更广泛、更持久。1m=1000mm1mm=1000μm1μm=1000nm空间尺度的划分宇观(Cosmoscopic)遥观(Remotesensoscopic)宏观(Macroscopic)显微观(Optico-microscopic)介观(Mesoscopic)或纳米观(Nanoscopic):1~100nm微观(Microscopic)皮米观(Picosopic)飞米观(Fentoscopic)亚飞米观(Subfentoscopic1.纳米技术纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在1--100nm尺度内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。注意——单纯的某一纳米材料若没有特殊的结构和性能表现，还不能称为纳米技术。如香烟的烟灰粉末或自然土壤中存在的纳米粉末，虽然它们也能够达到一百个纳米以内的尺度，但是，因为它们没有特殊的结构和技术性能表现,所以这些材料还不能称为纳米技术。2.纳米材料纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成,一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1-100nm的超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料。而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料。三、纳米材料的分类1.按结构：零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度以内的材料，如纳米粒子、原子团簇等一维纳米材料：有两维处于纳米尺度的材料，如纳米线纳米管二维纳米材料：在三维空间有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜三维纳米材料（纳米固体材料）：指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密性固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，从而使得纳米材料具有高韧性。扫描隧道显微镜下的纳米团簇纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。用途：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。奇妙的碳纳米管1991年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管。这是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。如果用碳纳米管做绳索，是惟一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的六分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。把碳纳米管用作转子的纳米马达然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十余年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场90％高纯度的碳纳米管价格高达1000－2000美元／克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元／克，远远高出黄金的价格。我国清华—南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地。多孔纳米线纳米膜材料纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。纳米固体材料纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。Fe-B纳米棒纳米材料分类2.按组成可分为：金属纳米材料半导体纳米材料有机和高分子纳米材料复合纳米材料：无机粒子与有机高分子复合材料，无机半导体的核壳结构纳米材料分类3.按材料物性可分为：纳米半导体纳米磁性材料纳米非线性光学材料纳米铁电体纳米超导材料纳米热电材料纳米材料分类4.按应用领域可分为：纳米电子材料纳米光电子材料纳米生物医药材料纳米敏感材料纳米储能材料纳米材料分