纳米科技与物性剪裁.

纳米科技简介认识纳米科技—进入纳米的世界C60球Bucky管纳米碳管C60分子通常称为“布基球”，超导电性Buckyball认识纳米科技—进入纳米的世界一种非常奇特的材料，它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。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。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。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，这是显示器制造业的发展方向。认识纳米科技—进入纳米的世界认识纳米科技—进入纳米的世界SEM(ScanningElectronMicroscope)imageofnanotuberingsonasiliconsubstrate.Theimageismagnified8000timesIBMareinvestigatingcarbonnanotubes,Nano-lithographyandsiliconnano-electronicsIBM公司的纳米研究认识纳米科技—进入纳米的世界晶体管乃集成电路基本构件，IBM成功的用多层/单层纳米碳管制作并测试出纳米碳管晶体管作为场效应晶体管(field-effecttransistor).2001年8月，美国IBM公司宣布，该公司用单分子碳纳米管成功制成了世界上最小的逻辑电路。•1991年Iijima发表纳米碳管(CarbonNanotubes)的文章以后，纳米碳管的机械性质、电性、热传导、超导等特性都被证实有其特出之处，尤其是在场发射特性方面最被看好，一般都公认这种新材料可以在传统十分之一的电场下发射出过去千倍以上强度的电子束。投入纳米碳管CNT-FED研究的有韩国的Samsung(三星电子)与美国的Motorola，其中Samsung早在1999年已经展示了4.5寸彩色的CNT-FED，(见图一)Motorola也有60人以上的团队积极研发。认识纳米科技—进入纳米的世界认识纳米科技—进入纳米的世界•1965年，Intel公司创始人之一戈登·摩尔曾预言，硅芯片所集成的晶体管数目每隔18个月将翻一番。奔腾4微处理器上集成的晶体管数目竟然高达4200万个！•最近，Intel公司宣布已研制出一种将大大延长摩尔定律寿命的新技术。利用该新技术，晶体管的体积将由原来的130纳米缩小到30纳米（0.03微米）。这不仅能够大幅提高芯片的工作频率，而且其能耗也将大大降低，所需的工作电压还不到1伏。据Intel介绍，该技术可望在2005年进入大规模实用量产阶段，届时将出现频率高达10GHz且工作电压低于目前产品的微处理器。•Intel公司的研究人员采用了超微紫外线（DUV）印刷刻蚀技术制造出了为数不多的30纳米晶体管样品。•认识纳米科技—进入纳米的世界•ST微电子、摩托罗拉和飞利浦联合台积电，力争在5年内在300毫米晶圆上将90纳米（0.09微米）制程技术降至32纳米（0.032微米）。•IBM公司微电子部门2002年6月正式宣布完成研发代号为“Cu-08”的8层布线铜制程90纳米技术，IBM也是继英特尔(Intel)、摩托罗拉(Motorola)、德州仪器(TI，TexasInstruments)、台积电(TSMC)、联电(UMC)之后第六家公布90纳米技术的公司，IBM表示现阶段该技术将主要用于其位于纽约州EastFishkill市的12吋晶圆厂。认识纳米科技—进入纳米的世界3DSuperstructure(Co)认识纳米科技—进入纳米的世界以一维纳米材料为电子源的平板显示结构碳纳米管阴冷极发光管工作情况认识纳米科技—进入纳米的世界中国地图DNA拉成的“中”字原子排成的IBMC60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘DNA分子拉成的DNA图像认识纳米科技一、纳米是什么长度计量单位，它是英文Nanometer的中译名纳诺米特的简称，英文中的前缀Nano是十亿分之一的意思，因此，一纳米就是十亿分之一米（10-9m），记作nm。二、纳米微粒的基本概念•颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒。其尺度大于原子簇（Cluster），小于通常的微粒。•纳米微粒一般在1-100nm之间。•日本名古屋大学上田良二教授定义：•用电子显微镜（TEM）能看到的微粒。认识纳米科技基本概念•晶粒：单晶颗粒，颗粒内为单相且无晶界。•一次颗粒：指含有低气孔率的一种独立的粒子。•团聚体：由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。•二次颗粒：人为制造的粉料团聚粒子。如陶瓷工艺中所指的造粒。•纳米微粒一般指一次颗粒，结构可以为晶态、非晶态和准晶态。•颗粒尺寸：球形颗粒其尺寸为直径；不规则颗粒的尺寸定义常用等当直径，如体积等当直径、投影面积直径等。认识纳米科技•物质是什么组成的，是一个古老而又不衰的科学命题。•认识:微观和宏观；物质认识的两个层次。•宏观：所研究的对象尺寸很大，在宏观的时间空间坐标中其下限有限，而上限无限。•下限：肉眼可见的最小物体。•上限：宏观大的物体如天体。光年计算。•微观：指原子、分子以及原子内部的原子核和电子，比原子核更小的基本粒子。•从微观到妙观:原子核内部百种以上基本粒子•从宏观到宇观:延伸到宇宙深空认识纳米科技•纳米技术是指在0.1-100纳米（1纳米等于10亿分之一米）尺度范围内，研究电子、原子和分子内在规律和特性，并用以制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术。纳米技术的问世，拓展了人类认识自然和改造自然的能力。纳米技术是现代科学和技术相结合的产物，它涉及到几乎现有的一切基础性科学技术领域。一些科学家认为，纳米技术将会迅速改变物质产品的生产方式，导致重大的社会变革，正像20世纪70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米技术将可能成为下一个技术革命时代的核心……认识纳米科技•从90年代初起，世界就掀起了一股研究发展纳米技术的热潮。•美国1991年，把纳米技术列为“政府关键技术”和“2005年战略技术”，在其提出的10年重点发展9个领域的关键技术中，就有4个领域涉及纳米技术。•英国政府在财力拮据的情况下仍然制定了纳米技术计划，在电子、光学、机械等领域遴选了8个项目进行重点研究。•在日本制定的先进技术开拓研究规划中，与纳米技术相关的项目多达12个，他们从1991年开始实施为期10年、耗资达2．25亿美元的纳米技术研究开发计划，并将其列为4大基础科技项目之一。•德国19家研究机构签署了一项合作协议，欲建立起一个遍布全德的研究网，以便将德国的研究所、大学和工业界在纳米技术领域的创新潜力集中起来，形成合力。•此外，法国、印度等都设有专门的纳米技术研究机构并正在开展积极的研究。•我国也有数十个研究机构从事有关纳米技术的研究开发工作，并已在某些方面取得了突破性进展。认识纳米科技纳米技术的三大关键纳米材料纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍；纳米材料的铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大。超精度纳米加工方法当物体尺寸达到纳米级，常规的加工技术就没有了用武之地。怎么办？纳米技术研究者采用了盖房子的方法。将扫描隧道显微镜的极其尖锐的金属探针，向材料表面不断逼近，当距离达到1纳米时，施加适当电压产生电流，这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，原子会从探针上脱落。如此反复进行，最后便按设计要求堆砌出各种微型构件，整个过程就像是用砖头盖房子一样。纳米机电系统纳米技术的核心是纳米机电技术。纳米机电技术并不是把所有的东西都做小那么简单。新的物理特性使纳米器件非常坚固耐用，同时非常可靠。一般纳米器件振动2000万次，也丝毫不会损坏。近10多年来，科学家们成功地制出了纳米齿轮、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米轴承等微型零件，并且发明了纳米发动机，它的直径只有200微米，一滴油可以灌满四五十个这种发动机。而且，纳米级的传感器、纳米级执行器也相继制成。如果加上电路和出口，就能组成完整的纳米机电系统了。认识纳米材料—基本理论•电子能级单个原子认识纳米材料—基本理论久保（Kubo）理论•电子能级由准连续变为离散。•块体中电子能级由于堆积重叠为准连续，•纳米颗粒由于比表面积达、尺寸小，其原子的电子能级变成离散。认识纳米材料—基本理论量子尺寸效应•粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级有准连续变为离散能级的现象;纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象。•各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别。•介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。认识纳米材料—基本理论小尺寸效应•当超细粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波（物质波）长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，晶体周期性的边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。认识纳米材料—基本理论表面效应•纳米微粒尺寸小、表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。认识纳米材料—基本理论认识纳米材料—基本理论宏观量子隧道效应•微观粒子具有贯穿势垒的能力（几率）称为隧道效应。•物质的宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。纳米材料结构和形貌•结构与形貌：纳米微粒一般为球形或类球形。纳米材料结构和形貌纳米材料结构和形貌纳米材料结构和形貌纳米材料的特性物理特性•纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降而急剧增加，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等特点，导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子。使其具有广阔应用前景纳米材料的特性•热学性能•固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。•原因：表面能高，活性大以及体积远小于大块材料，使其熔化、烧结和晶化所需的内能小得多。•例如，金的常规熔点为1064C，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327C左右；银的常规熔点为670C，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。纳米材料的特性•烧结温度：把粉末用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。•常规Al2O3烧结温度在2073-2173K,•纳米Al2O3烧结温度在1423-1773K,之密度达99.7%。•常规Si3O4烧结温度高于2273K;•纳米Si3O4烧结温度下降400-500K。纳米材料的特性•磁学性能：纳米微粒的主要磁特性有：•超顺磁性：纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。•a-Fe、Fe3O4和a-Fe2O3粒径分别为5nm、16nm和20nm