纳米材料的表面.ppt

第一节纳米材料•基本概念和内涵•纳米材料的表面形貌•纳米材料的表征•纳米材料的特征•纳米材料的制备主要内容纳米材料的表界面什么是纳米(nanometer)？什么是纳米结构(nanostructure)？什么是纳米材料(nanomaterial)?什么是纳米技术(nanotechnology)？什么是纳米科学(nanoscience)？什么是纳米科学技术(Nano-ST)？基本概念和内涵人高20亿纳米100万纳米针头红血球分子及DNA1千纳米1纳米0.1纳米氢原子Earth1.2x107m•InGreek,“nano”meansdwarf•纳米是一个长度计量单位，1纳米=10-9米。什么是纳米(nanometer)？Earth1.2x107m什么是纳米(nanometer)？（2）纳米是社会实践体系a.掀起广泛深入的社会实践活动b.各国政府纷纷纳入战略规划c.纳米技术的产业化实践社会意义：（1）纳米是新的物质观，新的方法论；什么是纳米结构(nanostructure)？纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。Inthisdesign,tworigiddiamondoidringsarefusedataquasi-tetrahedraljunctionandsized,throughtheadditionorsubtractionofrepeatsubunitsineachring,toaccommodatetwocarbonnanotubesofdifferentdiameters.ThecrimpingofthenanotubesisaresultofvanderWaalspackingoftherings,afeaturethatcanbeenhancedorremovedbyadjustingtheringsize.(grey=carbon,white=hydrogen,blue=nitrogen,red=oxygen)Inthisdesign,twodiamondoidringsreplacesmallsegmentsofacarbonnanotube,providingalockforathird,largerring.Thelargerringincludesastitch-workofoxygenstocreateanelectron-richinteriorwhoseeffectivecircularvanderWaalspackingjusttouchesthatofthenanotubeframework.Low-frictionbearingassemblywithtwocarbonallotropesCrimpjunctionsforperpendicularcarbonnanotubescaffolding什么是纳米材料(nanomaterial)?纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-9～10-7m)或由它们作为基本单元构成的材料什么是纳米科学(nanoscience)？在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。什么是纳米技术(nanotechnology)？•在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的技术。•纳米技术是一门高新技术，它对21世纪材料科学和微型器件技术的发展具有重要影响。•纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。纳米技术是当前全球都在谈论的热门话题。所谓纳米技术，是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。牛津大学材料系目前研究的纳米技术项目有40多个，其中主要的有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。-------英国牛津大学材料系纳米材料专家保尔·华伦博士接受科技日报记者采访时说什么是纳米技术(nanotechnology)？什么是纳米科技(Nano-ST)？•创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料•设计、制备各种纳米器件和装置•探测分析纳米材料,器件的结构,性质及其相互关系和机理制造和研究纳米尺度（10-9～10-7m）的器件和材料的科学技术。纳米科技将引发一场新的工业革命国家自然科学基金与纳米科技国家自然科学基金资助“纳米”科技项目和经费逐年增加(根据题目上出现纳米字样的部分基金项目的统计结果)纳米科技是一个多学科交叉的前沿领域，各科学部分别从不同角度予以了资助纳米科技的科学意义（1）纳米科技将促使人类认知的革命;（2）纳米科技将引发一场新的工业革命;（3）纳米科技是一门综合性的交叉学科.师昌绪院士为国家自然科学基金资助纳米科技研究成果展览题词纳米科技的前景展望•材料和制备•微电子和计算机技术•环境和能源•医学与健康•生物技术•航天和航空•国家安全FROM:(2005)1696–1700Nanopeapodhigh-resolution,low-temperaturescanningtunnelingmicroscope(STM)(Science----1February2002)NanoringsJACS2005Nano-flowers中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。研究内容以Report形式于2005年8月5日发表在Science上。文章发表后在国际上引起了强烈的反响。Nanotechweb和ORFONScience网站当天就分别以“应变的微结构形成类植物花样”和“微观世界的花朵”作了长篇介绍。纳米粒子的表征TEM(隧道显微镜)Fourbasictypesofnanotechtoolsareavailable:•Visualizationtools,primarilyscanningprobeandelectronmicroscopes;•Measurement(ormetrology)tools,includingspectroscopicandopticsbased;•Fabrication/productiontools,includingnanomanipulatorsandnanolithographicdevices;•Simulation/modelingtools,whichaidinthedesignanddevelopmentofnanotechnologyproducts.SEM(扫描显微镜)AFM(原子力显微镜)STM(扫描隧道显微镜)纳米微粒的四大效应（1）表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。（2）量子尺寸效应当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。纳米微粒的四大效应（3）小尺寸效应当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。（1）表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。Relationshipbetweentheratioofthesurfaceatomstowholeatomsandparticlesize（2）量子尺寸效应当粒子尺寸极小时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象。量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、热以及超导电性与同一物质原有性质有显著差异，即出现反常现象。例如金属都是导体，但纳米金属颗粒在低温时，由于量子尺寸效应会呈现绝缘性。美国贝尔实验室发现当半导体硒化镉颗粒随尺寸的减小能带间隙加宽，发光颜色由红色向蓝色转移。美国伯克利实验室控制硒化镉纳米颗粒尺寸，所制备的发光二极管可在红、绿和蓝光之间变化。量子尺寸效应使纳米技术在微电子学和光电子学地位显赫。尺寸及形貌导致颜色不同（3）小尺寸效应当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。•随着纳米颗粒尺寸的减小，与体积成比例的能量，如磁各向异性等亦相应降低，当体积能与热能相当或更小时，会发生强磁状态向超顺磁状态转变。•当颗粒尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长、超导体的相干长度或透射深度等物理特性尺度相当或更小时，其声、光、电、磁和热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。将导致光的等离子共振频移、介电常数与超导性能发生变化。（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。•电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。•量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。•例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。纳米微粒的一些奇异特性•纳米金属的熔点比普通金属低几百度；•气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；•纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高１０倍；•纳米陶瓷的强度和韧性显著提高纳米氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中，观察到强度和韧性均提高50％以上；ＴｉＯ２纳米材料具有奇特韧性，在１８０℃经受弯曲不断裂；ＣａＦ２纳米材料在８０—１８０℃温度下，塑性提高１００％。•纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破；•纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。•催化活性增强以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率提高到传统镍催化剂的10倍。直径几十纳米的Si3N4纳米线的弯曲强度在103Mpa量级，比块体Si3N4材料高出一个数量级。纳米微粒的一些奇异特性第二节纳米粒子的表面•自然界中的纳米粒子——尘埃、烟•20世纪初人们已开始用蒸发法制备金属及其氧化物的纳米粒子•20世纪中期人们探索机械粉碎法使物质粒子细化（极限为数微米）•近几十年来机械粉碎法可以使微粒小到0.5微米左右•多种化学方法（表面活性剂的应用）和物理方法的开发•近十年来各种高技术，如激光技术、等离子体技术等的应用，使得制备粒度均匀、高纯、超细、分散性好的纳米粒子成为可能，但问题是如何规模化物理方法－粉碎法几种典型的粉碎技术：球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气