第3讲-纳米技术的发展概况(1课时)

UJS纳米材料与纳米技术陈彩凤无机非金属材料教研室第3讲UJS第一章纳米技术的发展概况1纳米科技的概念与发展2纳米科技的内涵3纳米科技的种类4纳米材料的特异性能5纳米材料的应用UJS第一章纳米技术的发展概况纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m在原子物理中还常用埃作单位（Å），１Å＝10-10m，所以１nm=10Å。氢原子的直径为1（Å），所以1nm等于10个紧挨成一条线的氢原子长度。纳米是一个极小达到尺寸，但它又代表人们认识上的一个新层次，从微米进入到纳米。UJS1.纳米科技的概念与发展纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技主要包括：①纳米体系物理学；②纳米化学；③纳米材料学；④纳米生物学；⑤纳米电子学；⑥纳米加工学；⑦纳米力学。UJS•1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。原子排成的“原子”字样UJS•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。UJS•1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。UJS碳纳米管属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。UJS•1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36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，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。UJS1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。UJS2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。UJS到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。UJS•我国从80年代起进行了纳米科技理论和制备的研究。•90年代以来获得了丰富的研究成果。(1)纳米材料生产线已建成100多条。(2)国家支持的生产纳米材料的骨干企业:东北超微粉制造公司、浙江舟山市普陀升兴纳米材料开发公司、山东正元纳米材料有限公司、江苏河海疏浚工程集团公司、长春迪瑞检验制品公司我国纳米技术的发展现状UJS1纳米科技的概念与发展2纳米科技的内涵3纳米科技的种类4纳米材料的特异性能5纳米材料的应用UJS2纳米科技的内涵要理解纳米科技必须理解其内涵Ａ.纳米科技不仅仅是纳米材料的问题目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质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。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新名词。这些新名词所体现的研究内容又有交叉重叠。UJS若以研究对象或工作性质来区分，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。UJS目前人们对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳米材料，这是不全面的。主要原因：国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表现出来。我国现在300余家从事纳米科技研发的公司也主要是从事纳米材料，尤其是纳米粉体材料的生产。UJSB.纳米科技不仅仅是传统微加工技术的扩展和延伸纳米科技的最终目的是:以原子、分子为起点,去设计制造具有特殊功能的产品。在未来，人们将可以用纳米技术一个一个地将原子组装起来，制成各种纳米机器如纳米泵、纳米齿轮、纳米轴承和用于分子装配的精密运动控制器。UJS纳米马达UJS纳米科技研究的技术路线•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”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；“针尖书写”是“自上而下”的主要技术之一。•纳米科技研究的技术路线“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是利用化学和生物学技术。UJSUJSＡＦＭ针尖利用原子力显微镜针尖作为”笔”，一个固体基质（例如，金）作为”纸”，以及对固体基质有化学亲和力的分子作为”墨水”。将分子从ＳＰＭ针尖毛细传输至固体基质上，直接书写亚微米尺度的包含一组分子的图形。UJSC.纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题有些人认为，纳米技术与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题，检验一项技术或产品只要看它是否是纳米量级即可。这种认识是片面的。纳米科技的重要意义主要体现是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质或对原有性质有十分显著的改进和提升。UJS1纳米科技的概念与发展2纳米科技的内涵3纳米科技的种类4纳米材料的特异性能5纳米材料的应用UJS3.纳米材料的种类纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。按材料的性质、结构、性能可有不同的分类方法。(1)纳米微粒纳米微粒是指线度处于1~100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称。纳米微粒的形态并不限于球形、还有片形、棒状、针状、星状、网状等。一般认为，微观粒子聚合体的线度小于1nm时，称为簇，而通常所说的微粉的线度又在微米级。纳米微粒的线度恰好处于这两者之间，故又被称作超微粒。UJS(2)纳米固体纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米快状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作为纳米结构材料。(3)纳米组装体系由人工组装合成的纳米结构的体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。UJS4纳米材料的特异性能•粒子尺寸小，有效表面积大。(1)小尺寸效应(2)表面效应(3)量子尺寸效应(4)宏观隧道效应UJS(1)纳米材料的表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如：100806040200比例（%）表面原子数相对总原子数01020304050UJS从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。UJS纳米微粒尺寸小，表面能高，表面原子比例份额高，如下表所示：表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒（nm）包含总原子数表面原子比例%104213*1044*1032.5*1023020408099UJS表2纳米Cu微粒的粒径与比表面积、表面原子数、表面能和粒子中原子数的关系粒径（nm）比表面积（m2/g）表面原子/总原子数一个粒子中原子数比表面能（J/mol）10020105216.66666010204080998.46*1078.46*1041.06*1045.9*1025.9*1035.9*104UJS表面效应的主要影响：1、表面化学反应活性2、催化活性3、纳米材料的稳定性4、铁磁质的居里温度降低5、熔点降低6、烧结温度降低7、晶化温度降低8、纳米材料的超塑性和超延展性9、介电材料的高介电常数10、吸收光谱的红移现象UJS图1金纳米微粒的粒径与熔点的关系由于小尺寸效应，纳米金属的熔点会低于块状金属.UJS(2)小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定的条件下会引起颗粒性质的质变。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。纳米颗粒尺寸小，表面积大，在熔点，磁性，热阻，电学性能，光学性能，化学活性和催化性等都较大尺度颗粒发生了变化，产生一系列奇特的性质。例如，金属纳米颗粒对光的吸收效果显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频率偏移；出现磁有序态向磁无序，超导相向正常相的转变。UJS纳米相材料在电子输运过程中的小尺寸效应：纳米相材料存在大量的晶界，使得电子散射非常强。晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大，对电子散射能力就越强。界面这种高能垒导致纳米相材料的电阻升高。UJS一般对电子的散射可以分为颗粒散射贡献和界面散射贡献两个部分。当颗粒尺寸与电子的平均自由程相当时，界面对电子的散射有明显的作用。而当颗粒尺寸大于电子平均自由程时，晶内散射贡献逐渐占优势。当颗粒尺寸小于电子平均自由程时，界面散射起主导作用，这时电阻与温度的关系以及电阻温度系数的变化都明显地偏离粗晶情况，甚至出现反常现象。UJS小尺寸效应的主要影响：1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸2、宽频带强吸收性质3、光吸收增强现象4、磁有序态向磁无序态的转变5、超导相向正常相的转变6、磁性纳米颗粒的高矫顽力UJS⑴特殊的光学性质当黄金（Au）被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的金黄色而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。⑵特殊的电学性质介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有很大的不同。UJS⑶特殊的磁性小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，