纳米材料科学与技术

纳米材料科学与技术11.纳米科技概念的提出与发展当2000年人们回顾历史的时候,他们会为直到1959年才有人想到直接用原子,分子来制造机器而感到惊讶。---RichardP.Feynman,1959还设想“如果有朝一日人们能把百科全书储存在一个针尖大小的空间并能移动原子，那么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科技的预言—小尺寸大世界。1959年12月，费曼所作的题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源。费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”费曼（RichardFeynman），物理学家量子动力学1965诺贝尔奖21974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具（扫描隧道显微镜），使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1.纳米科技概念的提出与发展3第一阶段(1990年以前)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，探索纳米材料不同于常规材料的性能。第二阶段(1994年以前)如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。第三阶段(1994之后)纳米组装体系。1.纳米科技概念的提出与发展4引言：纳米科技的发展史是一个由幻想到现实的过程，其中不乏里程碑式的事件(图1)。2002年1987年1988年1989年1990年1991年2000年1997年图1纳米科技发展的里程碑节点51.纳米科技概念的提出与发展100m100slicesTake1slice1m1000slicesTake1slice1nmHumanHairHumanHair一纳米有多大？纳米（Nanometer）是长度的单位什么是纳米？61纳米=10-9m，大约等于十个氢原子并列一直线的长度。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，这就是纳米长度的概念。人类头发的直径大约有6万至8万纳米。纳米材料的主要形式纳米粒子纳米线纳米带纳米膜纳米管纳米固体材料7某一方向尺度为1-100nm的材料称为纳米材料各种纳米结构8二维指在空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等按照维数划分零维指在空间三维方向均为纳米尺度的颗粒、原子团簇等一维指在空间有二维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等9纳米分类按化学组成与结构:纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米复合材料；按力学性能:纳米增强陶瓷材料、纳米改性高分子材料、纳米耐磨及润滑材料、超精细耐磨材料；按光学性能:纳米吸波(隐身)材料、光过滤材料、光导电材料、感光或发光材料、纳米改性颜料、纳米抗紫外线材料；按电子性能:纳米半导体传感器材料、纳米超纯电子浆料；按磁性:高密度磁记录介质材料、磁流体、纳米磁性吸波材料、纳米磁性药物、纳米微晶永磁或软磁材料、室温磁制冷材料;按热学性能:纳米热交换材料、低温烧结材料、低温焊料、特种非平衡合金;按生物与医用性能:纳米药物、纳米骨和齿修复材料、纳米抗菌材料;按表面活性:纳米催化材料、吸附材料、防污环境材料纳米材料的种类102、纳米材料概述《全球科技经济瞭望》：科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要的发动机，其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌，纳米技术将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。11纳米材料概述——纳米技术在美国美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发。12纳米材料概述——纳米技术在美国2010年:80万纳米科技人才,GDP1万亿美元,200万个就业机会能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料。军工:隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料本世纪前10年几个关键领域之一，制定了“国家纳米技术倡议”:•纳米材料•纳米电子学、光电子学和磁学•纳米医学和生物学13国会:21世纪前20年的立国之本，日本政府总共投资了多于38亿美元在研究上著名大企业:纳米实用化技术的计划–三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线–自洁净玻璃、光催化净化水或空气纳米材料概述——纳米技术在日本日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。142005年，欧盟制定《欧洲纳米技术发展战略》，欧盟成员国德国、法国、芬兰等分别制定了本国纳米技术发展计划，欧盟及主要成员国已累计投入超过140亿美元。俄罗斯从2001年开始重点推动纳米技术产业，2007年专门成立国有俄罗斯纳米技术集团推动产业化发展。纳米材料概述——纳米技术在欧洲15我国从20世纪80年代起就一直高度重视纳米技术，作为较早开展纳米技术研究的国家之一，2001年就成立国家纳米科技指导协调委员会，同年7月科技部等五部委发布《国家纳米科技发展纲要（2001-2010）》。2001-2009年，我国用于纳米科技的研发经费超过26亿元人民币。我国在纳米材料研究方面与国际保持同步，并已开始产业化。2009年，我国发表纳米科技SCI-E论文总数首次超越美国，跃居世界第一，专利申请量世界第二；先后建设国家纳米技术科学中心和纳米技术及应用国家工程研究纳米材料概述——纳米技术与当代中国16纳米材料的奇异性能纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。17表面效应引发性能：1）表面原子输运构型变化：催化2）电子自旋构象能谱变化：光学表面原子特点：1）原子配位不满，多悬空键2）高表面能，高表面活性纳米材料的奇异性能表面效应如A原子缺少三个近邻，B、C、D原子各缺少两个近邻，E原子缺少一个近邻，它们均处于不稳定状态，近邻缺位越多越容易与其他原子结合，说明处于表面的原子(A、B、C、D和E)比处于内部的原子的配位有效明显的减少。纳米材料的奇异性能由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。小尺寸效应纳米材料的奇异性能20–宽频带强吸收纳米粒子呈黑色、极低反射率纳米氮化硅、碳化硅及氧化铝粉末对红外有一个宽带吸收谱大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多可以作为高效率的光热、光电等转换材料，也可以应用于红外敏感元件、红外隐身技术等–量子限域效应（1）光学性质小尺寸效应纳米材料的奇异性能21银多面体纳米晶由于等离子体共振吸收峰变化导致散射的颜色发生变化.小尺寸效应（1）光学性质：蓝移纳米材料的奇异性能22（1）光学性质：蓝移小尺寸效应纳米材料的奇异性能23（2）光学性质：发光小尺寸效应纳米材料的奇异性能24固态大尺寸物质，熔点固定；超细微化后其熔点显著降低，当粒径小于10纳米时尤为显著例如，块状金的常规熔点为1064℃，--当颗粒尺寸减小到10nm尺寸时，则降低27℃，--2nm尺寸时的熔点仅为327℃左右。比热容、热膨胀系数：--纳米金属Cu的比热容是传统纯Cu的2倍；--纳米固体Pd的热膨胀比传统Pd材料提高1倍；--纳米Ag作为稀释致冷机的热交换器效率比传统材料高30%（3）热学性质小尺寸效应纳米材料的奇异性能25纳米颗粒足够小时，呈现超顺磁性。磁性超细颗粒具有高的矫顽力。磁性材料纳米化后，磁化率也会发生明显变化。纳米磁性金属磁化率是宏观状态下的20倍，而饱和磁矩是宏观状态下的1/2。磁性超微颗粒——生物磁罗盘高矫顽力——制作高贮存密度的磁记录磁粉超顺磁性——制作磁性液体铁磁流体（4）磁学性质小尺寸效应纳米材料的奇异性能26典型案例：•银是优良的良导体，(10～15)nm的银微粒电阻突然升高，失去了金属的特征，变成了非导体。•共价键结构的氮化硅、二氧化硅等，当尺寸达到(15~20)nm时电阻却大大下降，用扫描隧道显微镜观察时不需要在其表面导电材料就能观察到其表面的形貌。（5）电学性质小尺寸效应主要原因：晶界上原子体积分数增大，晶界原子排列混乱、厚度大，界面能垒导致电子运动发生变化。纳米材料的奇异性能27布朗运动是由于分子热运动造成的。纳米粒子形成溶胶时会产生无规则的布朗运动。布朗运动是影响粒子分散物系(溶胶)动力稳定性的一个原因。纳米粒子不会稳定地停留在某一固定位置上，不会因重力而发生沉积，另一方面，可能因相互碰撞而团聚，颗粒由小变大而沉淀。016RTDNr为分散介质的粘度系数；r为粒子半径（6）动力学性质小尺寸效应扩散是在有浓度差时，由于微粒热运动(布朗运动)而引起的物质迁移现象。微粒越大，热运动速度愈小。一般以扩散系数(D)来量度扩散速度。28纳米材料的奇异性能原子配位不满，多悬空键；微观粒子具有贯穿势垒的能力；宏观量子隧道效应；一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量）具有的隧道效应宏观量子隧道效应意义:确立了现存微电子器件进一步微型化的极限29纳米材料的奇异性能当粒子尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和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，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。能带理论表明:•金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。•对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的。量子尺寸效应30纳米材料的奇异性能什么是纳米科技？•制备优异性能的纳米材料•设计、制备各种纳米器件和装置•探测分析纳米区域的性质和现象transistor1947integratedcircuit‘chip’19592001:100milliontransistorsperchip31纳米科技研究内容纳米科技的研究内容：纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等学科。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。纳米科技大厦32纳米科技军事居家航天医学能源环保信息纳米科技33视频资料：什么是纳米纳米材料应用领域能源领域金属防护路桥领域建筑节能3435视频资料:1NanoYouSTM的工作原理将针尖和样品表面作为两个电极，当两者之间的距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成“隧道电流”，这种效应就是隧道效应。STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。STM工作方式–恒电流扫描–恒高度扫描36STM的原理示意图3738STM观察和研究固体表面的微观结构观察和研究固体表面的微观结构1.3特点及应用39白春礼院士，1988年4月12日，中国第一台计算机控制的STM研制成功。401989年美国加州IBM实验内，依格勒博士（D.Eigler）采用低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子排出“IBM”。之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志我国在纳米科技领域占有一席之地。STM例：移动原子41STM例：移动铁原子1993年，美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形。42视频资料：扫描隧道显微镜的发明S