纳米材料概述第1章

1纳米材料基础与应用作者:林志东主编出版社:北京大学出版社出版时间:2010.8纳米材料和纳米结构作者:张立德牟季美主编出版社:科学出版社出版时间:2001考核方式:30%（出勤和报告？）+70%(开卷)3主要内容一、纳米和纳米科技二、纳米材料的概念和分类三、纳米材料的性质及应用4纳米在哪里？一、纳米和纳米科技纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。蜜蜂、海龟不迷路----体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。纳米在哪里？一、纳米和纳米科技61、什么是纳米？纳米不是“米”，是长度计量单位，一米的十亿分之一(10-9米)，万分之一头发粗细（人的头发直径约为80-100微米），形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。纳米结构:通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。“纳”(nano)来自于希腊文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。空间尺度的划分宇观(Cosmoscopic)遥观(Remotesensoscopic)宏观(Macroscopic)显微观(Optico-microscopic)介观(Mesoscopic)或纳米观(Nanoscopic):1~100nm微观(Microscopic)皮米观(Picosopic)飞米观(Fentoscopic)亚飞米观(Subfentoscopic8100m100slicesTake1slice1m1000slicesTake1slice1nmHumanHairHumanHair一纳米有多小？9病毒：30-100nm纳米粒子与病毒大小相当红血球：200-300nm细菌：200-600nm胃幽门螺杆菌花粉是纳米级的粒子DNA1nm量级分子0.1nm量级壁虎的吸盘结构142、什么是纳米科技？•1959年费曼在一次题为《在底部还有很大空间》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）著名的演讲中提出“如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？”并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始组装，制造出最小的人工机器来。可以说这些都是纳米技术的最早的动意/梦想。最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德·费曼(RichardPFeynman)。15纳米科技的迅速发展是在1980年代末1990年代初。1982年，宾尼希(C．Binnig)和罗雷尔(H．Rohrer)等人发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器－－扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscopy，STM)。STM不仅以极高的分辨率揭示出了“可见”的原子、分子微观世界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。16扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向可优于0.01纳米。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。STM头部由STM头部、电子学处理系统，减震系统以及计算机系统组成。扫描隧道显微镜17基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的探针（针尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近（小于1纳米）时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（10-9A）的隧道电流；隧道电流对距离非常敏感，保持针尖与样品表面间距的恒定，控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（x,y,z)移动扫描时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定。扫描隧道显微镜的工作原理18高序石墨原子STM图象用STM描绘样品表面三维的原子结构:硅表面硅原子STM图象191990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登研究中心（AlmadenResearchCenter）的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动到各自的位置，在镍金属表面组成了“IBM”三个字母，这三个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。201991年IBM公司的“拼字”科研小组利用STM把一氧化碳分子竖立在铂表面上、分子间距约0.5纳米的“分子人”，这个“分子人”从头到脚只有5纳米，堪称世界上最小的人形图案。211993年中国科学院北京真实物理实验室用STM操纵硅原子写出“中国”两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国”的图形。）22世界上最小的中国地图中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上通过搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图。1993年，Eigler组，量子围栏。将48个吸附在Cu（111）表面上的铁原子移动形成空心围拦，半径7.13nm。照片中反映的是电子密度的高低，围栏内是电子密度波的驻波。入射的表面态电子波与从铁原子散射的电子波之间的干涉会形成围绕铁原子的驻波，从而引起表面局域电子态密度的变化。24目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度（1～100纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。25纳米科技包括三个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。26传统的生产模式，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过切、割、刻、蚀、渗杂等许多步骤，变成电子元器件，这个过程，原材料浪费大、能耗大。纳米科技的最终目的：是按人的意愿，操纵单个原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。纳米科技研究的技术路线：可分为“自上而下”和“自下而上”两种方式。“自上而下(top-down)”——是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化(传统技术)；27“自下而上(bottom-up)”——是指以原子、分子为基本单元，根据人们的设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是意愿进行利用化学和生物学技术(纳米技术)。注：自下而上的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将愈来愈受到重视。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。28纳米这项新技术的诞生,其用途之广,涉及领域之多,前所未有。纳米技术是一门崭新的交叉学科,学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等,有着十分宽广的学科领域。二十一世纪,纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域。29当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入了微米和亚微米的量级,电子器件的集成度越来越高，已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是面对这种挑战而诞生的。在纳米电子学这个天地里，新的发现，新的成果不断涌现。30纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件,在单电子器件中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，这有可能开发出单电子的数字电路或存储器。开发单电子晶体管,只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的1000—10000分之一。31纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。32基于利用STM对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面有原子的位置为“1”，没原子为“0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！33科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。34陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机的理想材料。陶瓷材料在通常情况下呈脆性；由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷35具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异.不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。碳纳米管36太空升降机由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成“太空电梯”缆绳，使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到太空旅行将是一件轻而易举的事情。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。37纳米壁挂电视用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料既具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光。用碳纳米管制成电子枪,可点亮新一代平面显示屏。38纳米固体燃料实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力。39纳米隐身飞机在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收红外光和电磁波，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。美国F117隐形轰炸机机美国B2隐形轰炸机40车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。41分子自组装两种不同的分子在分子之间力的作用下在溶液中自组装的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳米机械必须具有自组装、自我复制等功能。由碳纳米管制作的纳米齿轮模型，纳米齿轮上的原子清晰可见。纳米齿轮42分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，