搜索
DongguanUniversityofTechnology15.6超导材料5.6.3高Tc材料1986年人们终于发现了临界温度在液氦沸点以上的高温超导体（HTS），这大大的推动了高温超导材料的研究。高Tc材料主要是氧化物超导体。其研究发展迅速，到目前为止，已可以实现室温大约14℃左右的超导现象。高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。DongguanUniversityofTechnology25.6超导材料5.6.3高Tc材料超导材料研究进展高Tc材料研究大致进展如右。从超导技术发展的历程来看，新的更高Tc材料的发现和制造工艺技术突破都有可能。目前高温超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变，未来的十年可能会是市场发展和高Tc材料产业化的十年。目前世界上已形成每年约20亿美元的超导产业市场，主要是低温超导材料。据近几年国际超导工业高峰会议预测，到2000年及2010年世界超导工业市场将分别达到76亿美元及370亿美元/年。人们有理由相信，再过15年，即超导体发现100年的时候，将会在高温超导机制，更高Tc超导体探索以及高温超导应用等方面取得重大进展。DongguanUniversityofTechnology35.6超导材料5.6.4MxC60超导体C60的分子结构Hawkins等人通过实验证实了C60是由12个五元环和20个六元环围成的中空笼状的碳原子簇，是最对称的分子。众所周知，碳元素有两种同素异形体－金刚石、石墨。1970年，日本科学家小泽预言，自然界中碳元素还应该有第三种同素异形体存在。经过世界上各国科学家15年的不懈努力和艰苦探索终于在1985年由美国Rice大学的Kroto等人在激光汽化石墨实验中首次发现含有60个碳原子的原子簇命名为C60及含有70个碳原子的原子簇命名为C70，C60及C70均具有笼形结构，在物理及化学性质上可看作三维的芳香化合物，DongguanUniversityofTechnology45.6超导材料5.6.4MxC60超导体C60可以形成面心立方结构，也可以形成六方结构。X射线衍射分析表明，掺入到面心立方结构C60中的金属元素位于其四面体和八面体两种间隙位上。研究较多的是K3C60。MxC60其超导转变温度先随x由0增加而上升，当x＝3时达到最大值，尔后却随x的继续增加而下降，至x＝6时变为绝缘体。C60分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性，电流密度大、稳定性高、易于展成线材，是一类极具价值的新型超导材料。DongguanUniversityofTechnology55.6超导材料5.6.5应用超导电缆DongguanUniversityofTechnology65.6超导材料5.6.5应用热绝缘结构电缆基本结构示意图冷绝缘结构电缆基本结构示意图超导电缆2003年4月23日－耐克森获得了美国电力部价值3千万美元的高温超导电缆（HTS）和低温绝缘系统的合同。这根610米的高温超导电缆将安装在长岛电力局的输电网中，这是世界上在现用的输电网中安装的首根高温超导电缆。DongguanUniversityofTechnology7Teacher:Ph.D.TengyunZhang(张腾云)E-mail:peroxyyuzhang@sina.com2007－2008学年第2学期第十一讲《材料化学导论》---第六章纳米材料－ANonometerMaterials－ADongguanUniversityofTechnology8DNA开关利用DNA自我组合原理，制造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小、运算速度更快存储密度可达每平方厘米10万亿字节纳米存储器DongguanUniversityofTechnology9中国北京大学科学家利用AFM探针，在Au-Pd薄膜上雕刻出唐朝孟浩然的诗句，每字大小约为1.5μm纳米陶瓷纳米雕刻DongguanUniversityofTechnology10主要内容：6.1纳米材料概述6.2纳米材料的制备6.3纳米材料的应用DongguanUniversityofTechnology116.1概述一、纳米科技的诞生二、纳米材料相关概念三、纳米材料的特性四、几种典型的纳米材料DongguanUniversityofTechnology12一、纳米科技诞生原子排成的“原子”字样当科学探索由宏观领域延伸到超视界的微观领域时,知性的科学思维遭遇了前所未有的挑战。纳米科技就是在这一科学思维过程中产生的。1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，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。DongguanUniversityofTechnology13一、纳米科技诞生1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。DongguanUniversityofTechnology14一、纳米科技诞生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。DongguanUniversityofTechnology15一、纳米科技诞生1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于—个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。DongguanUniversityofTechnology16一、纳米科技诞生2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。DongguanUniversityofTechnology17一、纳米科技诞生到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心总之，纳米技术将成为21世纪新技术革命的主导中心DongguanUniversityofTechnology182.纳米材料是指纳米颗粒和由它构成的纳米薄膜和固体。1～100nm范围广义:是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。二、纳米材料相关概念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尺度范围内，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。DongguanUniversityofTechnology193.纳米材料的分类按结构：零维纳米材料：纳米颗粒、原子簇一维纳米材料：如纳米线(量子线)、纳米管二维纳米材料：薄层纳米孔材料：如介孔分子筛。二、纳米材料相关概念按组成：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……无机纳米粒子与有机高分子复合材料；无机半导体的核壳结构；量子阱(超晶格)材料；…………DongguanUniversityofTechnology20三、纳米材料的特性1.表面效应2.小尺寸效应3.量子尺寸效应4.宏观量子隧道效应DongguanUniversityofTechnology211.表面效应三、纳米材料的特性随着纳米尺寸减小，表面原子与总原子熟比例剧增，比表面积、表面能、表面张力快速增大。100806040200比例（%）表面原子数相对总原子数01020304050颗粒尺寸，nmDongguanUniversityofTechnology222.小尺寸效应三、纳米材料的特性随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。DongguanUniversityofTechnology233.量子尺寸效应三、纳米材料的特性微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分散能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。对超微颗粒，在低温下必须考虑量子效应，原有的宏观规律已不再成立。δ=(4/3)(EF/N)∝V-1δ,相临电子能级间距；N，粒子内总导电电子数；EF，费米能级；V，粒子体积。当粒子为球形时，δ∝1/d3金属能级的不连续和半导体能级间隙变宽DongguanUniversityofTechnology244.宏观量子隧道效应三、纳米材料的特性隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。Ec=e2/2C充入一个电子所需要的能量也称库仑堵塞能这种小体系中单电子输运行为称为库仑堵塞效应。DongguanUniversityofTechnology254.宏观量子隧道效应三、纳米材料的特性通常，在第一个量子点上所加的电压必须克服Ec，电子才能隧穿，VEc但对于低温纳米尺寸材料，电子能量小于Ec也能隧穿。量子尺寸效应、隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限。DongguanUniversityofTechnology26四、几种典型纳米材料纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米膜材料纳米磁性液体材料碳纳米管DongguanUniversityofTechnology271.纳米颗粒型材料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。四、几种典型纳米材料DongguanUniversityofTechnology281.纳米颗粒型材料四、几种典型纳米材料用途：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。DongguanUniversityofTechnology292.纳米固体材料纳米固体材料通常指