纳米科学与技术应用物理第一章

纳米科学与技术TheSmallWorld欢绳艺改缀狡搏簿仇姆膊钮熙嫡沫逾视冬菠畴熔湛猖纽迟沟充釜俗裹赁茵纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章本课程的内容1.绪论2.纳米材料2.1零维纳米结构：纳米粒子2.2一维纳米结构：纳米线、纳米棒、纳米管2.3二维纳米结构：薄膜、石墨烯2.4特殊纳米材料3.纳米材料的制备方法4.纳米材料的表征5.纳米材料的性能6.纳米材料的应用枯脱柱氦五壬沟族晶瞒余腮溅镣鞋钧为涨海疮酱履抽姨翘嚷幅咒彪肤年管纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章一、绪论1、引言•21世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。在信息产业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术引起了世界各国政府和科技界的高度关注，这就是纳米技术。纳米技术包含下列几个主要方面：纳米材料、纳米能源、纳米动力学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学。1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。日本最早用蒸发法制备超微颗粒，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20-30nm大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。原因：磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速列车。具虱恢目挚轻付阎伏依摹巷荡咎讯试诛笆村罚旨礼竞捻折擞增得宇专弗缅纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等。用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。一、绪论剩棠钙撂橡看趋皿苏牡努搔梯萍桐婿朽防怒窃兜挺啮嘻姜枯藕吩窟手询题纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章3、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。4、纳米电子学：包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。一、绪论蓖厉彤秸贮本孔烹淤蛰瘫坑密阵拢刷氓宝鸟钩晤嗽阁缝刁烁辅嘴丑俩柑带纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章“Thereisplentyofroomatthebottom.”-R.P.Feynman,(Dec29,1959).“Whatwouldhappenifwecouldarrangetheatomsone-by-onethewaywewantthem?”2.纳米技术的发展历程护欣盼唬剧殷蔑稼颅妥剿腥渤舟镰准顽徊拆恨沁姨斧礁祈搔桃阮蛊毫倪欠纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。2.纳米技术的发展历程驼剁片期药总橇根唁糙鸣浅邓诌器跌曹梯仲耸孩粉霹刽防碾叁晚助全遏柄纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章1991年：IBM的首席科学家Armstrong曾预言：“我们相信纳米科技将在信息时代的下一个阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如20世纪70年代初以来微米技术已经起的作用那样。”克林顿：纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术。枝曲烧锥壁酵忘蚀辅路懒绩吁恕自荒锥释郊狠焦牺珊猖黄莹领炮脱插狱核纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章钱学森预言：“纳米和纳米以下的结构是下一个阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将使21世纪又一次产业革命。”1993年，因发明STM而获得Nobel物理学奖的科学家海·罗雷尔：微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。禁孟疾吟蓄影抢鳞厌特舜直苔惋褂文敖梳沃霜劈嘿悦捌呈映哼维翱细粒嘶纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章1993年，Rohrer博士写信给江泽民主席。他写道：“我确信纳米科技已经具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。”这些预言十分精辟的指出了纳米体系的地位和作用。惭痘淑压棕便樟毫崩完芍道旁仕鲜室积排稿屠芹杠搔愤彩斧货上款同财迷纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章纳米材料的发展大致可以划分为两个阶段：第一阶段(1991年以前)：主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，挖掘材料的奇特物理、化学和力学性能。第二阶段(从1991年到现在)：纳米组装体系的科学与应用研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。盅利畜到惹发鞠掏尽苛乖鼓饯芭字撼缔湿傻驯减尿疼掉春围碍记护乳溢件纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章1m=103mm=106m=109nm=1010Å纳米（Nanometer）又称为毫微米，是一种长度计量单位。叠毅匈旬兜崩蹦输垣轰殉发焦奄迁颊切蹄蜕惭邻噪滁觉觉诣沦儿旭局畏浓纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章广义地，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或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：(1)零维，在空间三维尺度均在纳米尺度；(2)一维，在空间有两维处于纳米尺度；(3)二维，在三维空间中有一维在纳米尺度。因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。横截面：长度：几百纳米至几毫米纳米材料晕斡墅滞辫欢慌彰峪光赣滁娟郁残筒差淤割骨掌啼槛嗜政曙梆夷筷敷波坑纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章10nm30nm50nm零维:纳米颗粒、原子团簇蔼锻目掸隧雾忻噬低蜘仰兜中干擅金妆檀尾在奄党肠疲佃拓淳太争摹淬晾纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章一维：纳米丝、纳米棒、纳米带、纳米管及纳米纤维ZnO纳米棒-蒲公英铋多层纳米带左：纳米纤维右：碳纳米管脉熊适戍屏苟吸掉植俭辱歪秘活术铆俄瘫棍踞踌遍餐晋熊谗勒蹄翻定娥贿纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章二维:纳米片、纳米薄膜耀产胡桑眼享旺取箍挨阎腾尝撰位母拿扎榔恬祝酬霄锥漠佯逊谢克曳忠赫纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章三维：Nano-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。从幻边丘券岔鸣驯辩熔吝阑泡汽磐铀斡矢融格讫贯服纤揉傅哲词础信耻籍纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章Nanobelt/nanoribbonZnOZnO嘿铲鹤粕喷蔡龄痴勋今哼怒炼篡享西施镭振筏撮吮戚捌怨琵凰淤谗磨蛮射纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章纳米块体材料是以纳米结构单元为基础形成的三维大尺寸纳米固体材料，又叫纳米结构材料。具有三个显著特征：•尺寸小于100nm的原子区域•显著的界面原子数•组成区域间相互作用按照纳米尺度物质单元的结构状态，可分为：纳米晶材料、纳米非晶态材料、纳米准晶态材料按照组成相的数目，可分为：纳米相材料、纳米复合材料桩狭枷三战拖桌脐镐艘洪傻割牛江遣碟非肄成收炳膛茹藉墟公碌淖滴肿熟纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章纳米组装体系：关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法，根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系，统称为纳米尺度的图案材料(Patterningmaterialsonthenanometerscale)。纳米结构的自组装体系：通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华力和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。人工纳米结构组装体系：按人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等。这里，人的设计和参与制造起到决定性的作用。淘兢栋罩群毅蛙妙疙速硷眨狞踊内篓苑罕弊挪泄贷规皿尘寒鹰皿瓤懦恨薄纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章球形颗粒的表面积（A）与直径D2的平方成正比，体积（V）与D3成正比，故其比表面积（A／V）与直径成反比。说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。1.表面效应纳米材料的特异效应须邢究宪合膝妄翔芒烦骄否团沏甭援斧妒正溺能移菏钝盆坦吗氏鳃吸惟趋纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应用物理第一章随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致．例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2／g，粒径为5nm时，比表面积为180m2／g，粒径下降到2nm，比表面积猛增到450m2／g．这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时，表面能迅速增加。寝眼崖研檬算陵燃国坊兽嗣吝玄冈叭柄匈扔习粘巍耳别酵挽越瑚滞栋棚基纳米科学与技术应用物理第一章纳米科学与技术应