第一章 纳米材料基本概念

纳米材料与化学课程内容1.纳米材料的基本概念2.纳米颗粒的物理化学特性3.纳米颗粒及结构材料的表征方法4.纳米材料的制备技术与进展5.纳米材料的水热合成和溶剂热合成6.纳米材料的形貌控制7.纳米管(Nanotubes)8.纳米结构自组装推荐入门教材推荐教材纳米材料学张立德、牟季美纳米材料与纳米结构张立德、牟季美美国纳米官方网站材料科学物理学化学信息科学生物学纳米科学纳米材料与化学的关系纳米材料为化学研究开辟了一个新的层次化学为纳米材料创造了丰富的研究对象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分子以上层次的化学化学传统的研究层次:一向限定在分子与原子之间的层次。表面化学和胶体化学早就提示分子以上还有一个新世界,化学没有理会。纳米材料给化学的启示:决定功能的不仅是构成系统的基本分子的理化性质，还要看分子怎样组装成为分子聚集体的。发展分子以上层次化学已成为一个趋势。化学为纳米材料创造了丰富的研究对象化学的特长研究自然,了解它创造新物质,完成新变化化学对纳米材料的意义-提供了丰富的制备方法固相法气相法液相法There‘sPlentyofRoomattheBottom——byRichardP.FeynmanDecember29th1959１９５９年，诺贝尔奖获得者、理论物理学家—理查得·费因曼教授在加州理工大学发表了题为《在底部还有很大空间》的演讲。在费因曼看来，人类社会目前的生产方式，总是“从上而下(top-downManufacturing)”的，他提出：为什么我们不可以从单个分子、甚至原子开始出发进行组装(bottom-upmanufacturing)，达到我们的要求？……物理学的规律不排除一个原子一个原子制造物品的可能。”（纳米科学的开山之作）在20世纪的最后十年一门崭新的学科－纳米科学技术诞生了。其新颖独特的思路和首批研究成果问世，在科学技术界，军事界和产业界引起了巨大的影响，受到广泛的关注。“正如20世纪70年代的微电子引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为21世纪信息时代的核心。”------美国IBM公司首席科学家Amostrong在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方英寸400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。多样的结构与形貌SamplesofcoilednanotubesLargeArraysofWell-AlignedCarbonNanotubes研究发展历程,内涵及趋势Nanocrystallineornanophase单相材料的制备,表征(1985-1990)特异性能的挖掘,复合材料的设计:0-0,0-2,0-3复合材料(1990-1994)Nanostructuredassembling,Patterningmaterials有序阵列,超结构,材料的合理剪裁…...(1994-)?广阔的应用前景电子计算机和微电子工业:纳米存储器芯片,“掌上电脑”。环境保护环境科学领域:功能独特的纳米膜,纳米传感器可探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染.材料领域:纳米陶瓷刚柔并济，有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机在更高的温度下工作。医药领域:把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部。这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中到患病的组织中，那么药物治疗的效果会大大。日常生活:自清洁玻璃;杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装;抗紫外线辐射的功能纤维。Moore定律top-down纳米科技的提出和发展有着强烈的社会发展需求的背景。首先来自微电子产业。硅基半导体工业飞速发展，按人们称之为Moore（Intel公司创始人GoldonMoore)定律的预测，芯片上晶体管数量每18个月将会增加一倍。过去20年的实践证明了它的正确性。如第一代芯片中只有64个晶体管，而今奔腾IV处理器中，晶体管为4200个。以Moore定律估计未来10~15年硅基微电子领域的发展趋势见下表：表1硅基集成电路尺寸变化年份199920022005200820112014特征尺寸/nm180130100705035表面起伏/nm654535252015栅长度/nm1408590654530322022等效氧化层厚度/nm1.92.51.51.91.01.50.81.20.60.80.50.6结深/nm42702543203316261119813可见集成度越来越高，器件加工工艺尺寸要求越来越少。由于量子隧穿效应，特征尺寸在50nm以下的器件已经难以工作。所以美国半导体工业协会明确提出：如果这个工业要继续为美国提供强的经济增长，则要求得到政府对纳米技术的持续支持。人类对自身起源的探索以及对自身健康的需要也是纳米科技发展的驱动力。分子生物学就是在这样基础上发展起来的。生物学要求对单个分子行为进行观测和分析，特别是要阐明DNA的工作原理和基因表达。以DNA为基础的纳米结构有可能在生物、医药等方面有着很好的应用前景。如：已报道的DNA发动机的研制成功。由于DNA发动机可以自组装，因而人们期待在试管中混合分子元件和其它元件制造出纳米机电系统；能进行自我复制的纳米机器人有可能进入人体完成清理血管的任务。纳米科学技术是基于纳米尺度的物理、化学、生物学、材料、制造、信息、环境、能源等多学科构成的一个新兴的学科交叉体系。其内涵极其丰富，包括理、工、人文学科的交叉，甚至设计法律、社会伦理道德。纳米科技是涉及基本原理、关键技术和广泛应用的科学技术体系；大致可划分为基础、技术和应用三个层次。纳米科技主要包括：(1)纳米材料学；(2)纳米化学；(3)纳米体系物理学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学；(6)纳米力学；(7)纳米加工学。培养适应纳米科技挑战性的各种人才是纳米科技发展规律的关键。EmergingApplications:QuantumLeapfor“Mini”-Electronics1950198019902000Sohnetal,Nature1998,394,131Lieberetal,Nature2001,409,66Nanowiresbegantoshine!Lieberetal.,Science2001,293,1289Boron-dopedSiNWSwereusedtocreatehighlysensitive,realtimeelectricallybasedsensorsforbiologicalandchemicalspecies.Amine-andoxide-functionalizedSiNWsexhibitpH-dependentconductancethatwaslinearoveralargedynamicrangeandcouldbeunderstoodintermsofthechangeinsurfacechargeduringprotonationanddeprotonation.3-aminopropyl-triethoxysilaneNanosensorsApplicationsinBiology:QuantomdotsmeetbiomoleculesAlivisatosetal.,Science1998,281,2013Nieetal.,Science1998,281,2016Hanetal.,NatureBiotech.2001,19,631Mouse-cellnucleicoatedwith2-nmquantumdotswithureaandacetategroupsLatexbreadswithspectralfingerprints”ofdotsApplicationsinBiologyAlivisatosetal.,Science2001,292,2060Alivisatosetal.,Science1998,281,2013EnhancedConversionEfficiencies:SolarCellAlivisatosetal.,Science2002,295,2425Poly(3-hexylthiophene)Photocurrentspectra760nmShortcutcurrent:5.7mA/cm20.084mW/cm2,515nm77nm730nm760nmFF=100(ImaxVmax)/(IscVoc)=100(ImaxVmax)/Plight=1.7%第一章纳米材料的基本概念纳米科技的基本概念及内涵纳米结构的基本单元纳米微粒的基本理论1.1纳米科技的基本概念及内涵纳米:尺寸或大小的度量单位千米→米→厘米→毫米→微米→纳米（10-9m）万分之一头发丝粗纳米科学技术:研究在千万分之一米(10-7m)到十亿分之一米(10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为“纳米技术”0.1-100nm何谓纳米科技(Nano-ST)?纳米科技是一个高度交叉的学科，不仅包括物理，化学，生物学和电子学在内的观测，分析研究为主线的基础学科，同时还有以纳米材料学和纳米工程技术，纳米机械等技术性学科。纳米科技的提出和費曼预言纳米科技的提出可以追溯到1959年，诺贝尔物理奖得主在美国加州理工学院发表了一篇演讲，题目是：Thereisaplentyofroomsatbottom。他提出“为什么我们不能将24卷大英百科全书写到一个针尖上去呢？”并肯定地回答了这个问题。STM:费曼的1959年的预言的实现用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵原子，使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小，同时与相内传播的电子相互干涉形成干涉波。IBM公司制备的超分子马达纳米科技包括的几个主要领域纳米体系物理学纳米化学纳米材料学纳米生物学纳米电子学纳米加工学纳米力学相互关联，相互交叉。涉及到的是以前从未接触到的非宏观，非微观的中间领域，从而开辟了一个人类认识世界的新层次。1.2纳米结构的基本单元团簇(clusters)人造原子(artificialatoms)纳米颗粒量子点(零维纳米材料,0D,QDs)纳米管(NTs),纳米棒(NRs),纳米线(NWs)(一维纳米材料,1D)纳米孔洞(nanopores,mesoporous)超结构纳米阵列(nanoarrays)同轴纳米