《奈米材料导论》PPT课件.pptVIP

奈米材料導論 An Introduction to Nanomaterials,授課老師：林景崎 (E4-317,Tel:4328) E-mail:.tw 上課時間：星期二 6.7.8 節 上課地點：E2-218,評分標準,期中考 25 期末考 25 不定時抽考 25 分組報告與個人書面報告 25 ftp位址:48 帳號:nano 密碼:nano port:530,大綱,Chapter 0 奈米材料序論 Chapter 1 奈米材料的製造方法 Chapter 2 奈米材料的分類 Chapter 3 奈米金屬材料 Chapter 4 奈米陶瓷材料 Chapter 5 奈米複合材料 Chapter 6 奈米磁性材料 Chapter 7 奈米感測材料 Chapter 8 奈米生醫材料 Chapter 9 奈米介孔固體和介孔複合體,10/28 期中考,期中考範圍 Chapter 0 Chapter 4,12/23,30 期末口頭小組報告,1/6 期末考and個人書面報告,期末考範圍 Chapter 5 Chapter 9,第0章 Introduction-奈米材料序論,0-1 何謂奈米? 奈米(nanometer) 實際上是一個度量單位nanometer (nm)的譯名，指的是十億分之一公尺(1 nm = 10-9m)，也就是百萬分之一公釐。 1奈米大約是23個金屬原子，或10個氫原子排列在一起的寬度。,由身高1公尺的女孩開始，看看以10分之一的比例逐步縮小的世界。,奈米尺度範圍,奈米尺度範圍,奈米科技以一般說法是指由於物質在奈米尺寸下，會呈現有別於巨觀尺度下的物理、化學或生物特性、現象。所謂奈米科技便是運用這方面的知識，在奈米尺寸等級的微小世界中操作、控制原子或分子組合成新的奈米尺度結構(奈米材料)，以便展現新的機能與特性。,0-2 何謂奈米科技?,蓮花-蓮花效應 蜜蜂-蜜蜂身體內存在磁性奈米粒子，具羅盤的 導航功能。 墨汁-中國古代燃燒蠟燭成炭 黑作成墨的原料 寶劍-能削鐵如泥。 牙齒-堅硬無比，能承受極大、不斷咀嚼的磨耗 和壓力。,0-3 自然界中的奈米科技,在自然界中最有名的例子就是所謂的荷葉效應(Lotus effect) ，由於荷葉表面有自然的奈米級尺寸顆粒，若透過電子顯微鏡觀察葉子表面結構，會發現葉子表面這些奈米微粒形成小球狀凸起，而這些微小纖毛結構讓污泥、水粒子不容易沾附，而達到自潔的功效，這就是蓮花出淤泥而不染的原因。,蓮花-蓮花效應,蜜蜂-導航功能,像蜜蜂體內存在著磁性的奈米粒子，這些粒子具有羅盤的作用，這就是蜜蜂飛行的導航系統了。,墨汁,寶劍,牙齒,還有像是中國古代的墨汁是燃燒蠟燭成炭黑作成墨的原料，寶劍能削鐵如泥，牙齒堅硬無比，能承受極大、不斷咀嚼的磨耗和壓力。,奈米材料(目前定義材料粒子尺寸介於 1奈米 100奈米者，稱之為奈米材料)，則是指材料具有幾何形狀，且這些形狀是表現在奈米的程度上。這些具特殊結構奈米材料，則會產生包括表面效應、特殊的光學性質、熱性質、磁性質以及力學性質等和往常材質不同的效應，使得相同的原料可以在加工後產生不同的用途。,0-4 何謂奈米材料?,Nanomaterial,三維空間中,至少有一維處於奈米尺度（介於1100 nm之間）範圍中 1.零維電子無法自由運動 2.一維電子僅在非奈米尺度中自由運動(直線運動) 3.二維電子可在非奈米尺度中的二維中自由活動 (平面運動) 4.三維傳統材料（Bulk Material）的大小都在微 米以上,1.零維,長寬高三維都在奈米尺度內,2.一維,長寬高三維只有二維處在奈米尺度內,3.二維,長寬高三維只有一維處在奈米尺度內,奈米物質的製造,Top down Bottom up,1990年以前，主要在實驗室探索用各種手段達到奈米顆粒粉体，研究評估表征的方法，探索奈米材料不同於常規材料的特殊性能。 1990-1994年間，人們關注的焦點在於如何利用奈米複合材料，奈米複合材料的合成及物性的探索一度成為奈米米材料研究的主導方向。 1994年至此，主要著眼於奈米組裝体系又涉及到奈米絲、奈米管、微孔和介孔材料等等。奈米管的出現，豐富了奈米材料研究的內涵。,0-5 奈米材料的發展歷史,材料世界的發展史(The Material World),0-6 奈米材料的科學和工程 材料世界的發展從西元前300萬年的木頭到西元前1萬年的陶瓷，兩者的年使用量均為10000百萬公噸。西元前5000年金屬開始出現，一直到20世紀初，才又有塑膠新材料，而1940年半導體的發現，開創了20世紀的半導體電子世代，其後1950年複合材料問世。 在20世紀末，一個全新的材料奈米材料誕生了，一開始便成為科技界注目的焦點和研究的重心。表二 為人類材料世界的發展史。,0-7 奈米科技改變生活 人生病時不用吃藥，只要在體內注入微型機器人，讓它在體內來回送藥，清掃動脈，甚至修復心藏、大腦和其他器官而不必外科手術。 0-8 奈米材料的特徵 奈米現象：科學家在近半個世紀發現，物質在界於一奈米到一百奈米這個長度時，會發生特殊的物理現象，可能出現三種新特性：小尺寸效應、量子隧道效應、表面效應，這些現象稱為奈米現象。,1.表面效應:奈米材料的表面效應是指奈米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大後所引起的性質上的變化。 2.小尺寸效應: 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。 3.量子尺寸效應: 當奈米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費米面附近電子能階由準連續變為離散能級；並且奈米半導體微粒存在不連續的最高被占據的分子軌道能階和最低未被占據的分子軌道能階，使得能隙變寬的現象。 4.宏觀量子隧道效應:電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。,奈米材料的特性,1.表面效應 2.量子尺寸效應 3.巨觀量子隧道效應 4.小尺寸效應,奈米材料的表面效應,奈米材料的表面效應是指奈米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大後所引起的性質上的變化 。,奈米材料的量子尺寸效應,當奈米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費米面附近電子能階由準連續變為離散能級；並且奈米半導體微粒存在不連續的最高被占據的分子軌道能階和最低未被占據的分子軌道能階，使得能隙變寬的現象，被稱為奈米材料的量子尺寸效應。 當奈米粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導態的相關長度或與磁場穿透深度相當或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態奈米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常。,奈米材料的量子尺寸效應,由於奈米粒子細化，晶界數量大幅度的增加， 可使材料的強度、韌性和 大為提高。 其結構顆粒對光，機械應力和電的反應完全不同於微米或毫米級的結構顆粒，使得奈米材料在宏觀上顯示出許多奇妙的特性。,超塑性,巨觀量子隧道效應,電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發現一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相關器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之爲宏觀的量子隧道效應。,小尺寸效應,隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。 奈米材料的主要的特殊性質 1.特殊的光學性質 2.特殊的熱學性質 3.特殊的磁學性質 4.特殊的力學性質,1.特殊的光學性質,金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低於l，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。,在如此小的尺度下，古典理論已不敷使用，量子效應（Quantum effect）已成為不可忽視的因素，再加上表面積所佔的比例大增，物質會呈現迴異於巨觀尺度下的物理、化學和生物性質。以無人不愛的黃金為例，當它被製成金奈米粒子(Nanoparticle)時，顏色不再是金黃色而呈紅色，說明了光學性質因尺度的不同而有所變化。,2.特殊的熱學性質,固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化後卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小於10奈米量級時尤為顯著。金的常規熔點為1064C，到10奈米尺寸時，則降低27，2奈米尺寸時的熔點僅為327左右 。,3.特殊的磁學性質,用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應用於磁帶、磁片、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒製成用途廣泛的磁性液體。,4.特殊的力學性質,陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由奈米超微顆粒壓製成的奈米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為奈米材料具有大的介面，介面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。,0-9 奈米材料的特性 由於奈米結構材料，其性質隨著粒徑大小不同而異，使奈米材料的各種特殊屬性漸為人所重視，於今乃發展成一重要的新機能素材。 1.結構： 2.差異性： 3.光學性質: 4.強磁性: 5.催化性: 6.感測作用:,0-10 奈米材料在應用上的分類 1.凡是材料其中一維的尺寸小於100 nm 的均稱之為奈米材料 。 2.奈米材料是指材料的幾何形狀達到奈米尺度，並具有特殊功能的材料。 3.從結構上分，現有固體材料可分為晶態和非晶態兩大類。 4.這些奈米的單元有零維結構，即三維空間尺度均在奈米尺寸。 5.奈米材料可就屬性或功能來分類。,0-11 典型的奈米等級物質結構,石墨,0-12 奈米碳管 1.碳奈米管是在碳簇研究的刺激下而誕生的，是只由碳原子所形成的新物質。 2.奈米級的圓筒狀結構，其特徵為碳原子螺旋狀排列，是一般物質所沒有的特徵。 3.奈米碳管在電性、拉張強度、變形後之復原性、熱傳導等等均表現出優異的特徵，因此從基礎科學到工業的應用遍及廣泛的領域，皆受到學者相當大的注意，研究有突飛猛進的發展。,奈米材料的應用,1.汽車奈米玻璃-下雨天不用雨刷。 2.手機待機50100天的奈米電池。充電3分鐘OK。 3.防輻射的衣服、口罩，可阻隔95%紫外線與電磁波 4.記憶