纳米材料和纳米结构第一讲.ppt

第一次纳米研究热潮的到来 2000年美国启动纳米技术促进计划 N Lane科学技术总统助理 如果人们问我哪个科学和工程领域最有可能在未来产生突破性成就 我认为会是纳米科学和工程 W J Clinton美国总统 我正在支持一项对美国未来经济和发展将产生深远影响的纳米技术 它是21世纪最重要 应该优先发展的计划 美国政府发布 国家纳米技术倡议 NNI 同时 成立隶属于美国国家技术委员会 NCT 的国家纳米科学 工程与技术分委员会 SNSET 第一次纳米研究热潮的到来 2 日本 德国立即出台相应研究计划 日本政府要像抓微电子技术那样很抓纳米技术 把发展纳米技术作为21世纪前20年日本的立国之本 德国政府纳米技术是21世纪高科技的制高点 宣布成立跨部门的六大科学研究中心 协作发展纳米技术 第一次纳米研究热潮的到来 3 其他国家行动 印度要像抓软件产业那样 快速发展纳米技术 韩国2001年成为对纳米技术投入增长最快的国家 第一次纳米研究热潮的到来 4 中国 决战纳米时代2000年7月中央政治局全体委员听取中科院有关纳米技术的报告 提出决战纳米时代的指示国内研究已经具备一定的基础 建立了一定的国际影响宣布成立国家纳米科技中心目标 建立中国自己的纳米科技创新体系 人类认识自然的尺度范畴 宇观尺度 距地球最远星系约220亿光年宏观尺度 肉眼可见范围 约10 4m以上介观尺度 包括微米 亚微米 纳米和团簇原子原子核尺度 10 15m 10 10m基本粒子尺度 10 19m 包括夸克 轻子 纳米科学与技术的基本特征与特点 学科交叉性纳米科学与技术是基于纳米尺度的物理 化学 生物学 材料学 制造 信息 环境 能源等多学科构成的一个新兴学科交叉体系 学科的层次纳米科学与技术是涉及基本原理 关键技术和应用的科学技术体系 可大致分为基础 技术和应用三个层次 纳米科学与技术的基本特征与特点 2 学科研究与发展的基本内涵纳米科学与技术的研究和发展是一个复杂的系统工程 它主要包括五个方面 1 由基础研究支撑的创新思想和概念 2 由工艺 技术研究支撑的技术革命和革新 3 测试 表征以及纳米标准的建立和完善 4 技术成果产业化的组织和实施 5 技术成果市场的开拓和发展 学科的基本技术基础和支撑纳米科学与技术的基本基础和支撑是纳米材料和纳米器件 纳米科学 纳米技术及其学科分类 纳米科学研究纳米尺度范畴内原子 分子和其他类型物质运动和变化规律的科学 纳米技术在纳米尺度范畴内对原子 分子等进行操纵和加工的技术 学科分类纳米科学与纳米技术无法截然分开 目前 按照研究内容 获得普遍认可的分支学科大致包括 纳米材料学 纳米电子学 纳米光子学 纳米机械学 纳米摩擦学 纳米生物学 纳米加工学 纳米检测与表征等 纳米材料与器件是上述所有分支学科的共同交叉点 纳米材料的定义 纳米材料是指材料的基本结构单元至少有一维的特征尺寸介于1 100nm 并由于纳米尺寸效应 nanoscalesizeeffect 表面 界面效应 surface interfaceeffect 和量子限域效应 quantumconfinementeffect 而表现出奇异的 不同于相应的体材料所具备的物理或化学特性的材料或材料体系 纳米材料的基本物理特性 1 纳米尺寸效应 随着颗粒尺寸变小 晶体传统的周期性边界条件将被破坏 在一定条件下会引起材料的物理性质发生质的改变 出现新的效应 这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为量子尺寸效应 举例 如材料的光吸收会显著增加 所有的金属将失去光泽而变为黑色 超导相向正常相转变 磁性产生质变 熔点降低等 具体例子 如金纳米颗粒熔点为600K 而金的体材料熔点为1337K 纳米银的熔点可降低到l00 此特性为粉末冶金工业提供了新上艺 纳米材料的基本物理特性 2 2 量子限域效应 各种元素的原子具有特定的光谱线 如钠原子具有黄色的光谱线 由无数的原子构成固体时 单独原子的能级就并合成能带 由于电子数目很多 能带中能级的间距很小 因此可以看作是连续的 能带理论能成功解释金属 半导体 绝缘体之间的联系与区别 纳米材料的制备技术 纳米材料两个制备理念 从大到小 固体 微米颗粒 纳米颗粒从小到大 原子 团簇 纳米颗粒 纳米材料的制备技术 2 第四部分纳米材料的研究意义 纳米材料是二十一世纪的主导技术 工业革命以来已经历了三次主导技术 引发了三次工业革命 什么是主导技术 科学革命 技术革命 产业革命 纳米材料是二十一世纪的主导技术 第三次产业革命 1945 2010 科学基础 量子理论 能带理论 半导体制备技术 硅平面工艺 主导技术 微电子技术 计算机技术 纳米材料是二十一世纪的主导技术 三次产业革命的启示 1 每次产业革命都会造就一 二个新的先进国家 2 主导技术都经历孕育期 生长期 高速发展期 稳定期 主导技术的生命周期约50 60年 3 在主导技术的稳定期都开始蕴育下一个主导技术 4 主导技术都会带动产业革命 先从传统产业改造开始 并逐渐形成新的产业群 纳米材料是二十一世纪的主导技术 为什么纳米技术会引发新的产业革命 科学基础 中间领域的重大发现 纳米技术的产业革命 科学框架的建立 纳米材料是二十一世纪的主导技术 纳米科学涉及几乎所有关键技术领域 制高点 技术基础 科学基础 纳米材料是二十一世纪的主导技术 高集成 高空间分辨率 存储密度 1000GB 计算速度提高100 1000倍 功率增加1000倍 能耗降低一百万倍 芯片尺寸降低100 1000倍 21世纪 纳米材料是二十一世纪的主导技术 生物单分子探测 纳米材料是二十一世纪的主导技术 节省能源利用资源优化环境 新工业革命 纳米材料是二十一世纪的主导技术 纳米技术 对关键问题的影响力 推动GDP快速增长 名人预测 名人预测 21世纪 高科技产业如信息 生物技术 资源环境 新型能源 宇航 海洋和新材料等领域都面临着新的挑战 纳米技术的切入 使这些高科技领域的发展出现新的机遇 蕴藏着巨大的潜力 水平和机遇 太阳能 30 电能 水平和机遇 能源 提高能量转化效率 氢能源利用 热能提高10 电能 化学能长寿高效电能 海底天然气利用 水平和机遇 生物 医药 纳米的靶向药物 高效缓释药物 细胞内传感器 生物芯片 纳米生物探测技术 水平和机遇 信息产业 单电子器件 磁电子器件 自旋电子器件 共振隧穿器件 光电子器件 巨磁电阻器件 量子点和分子电子器件 纳米结构器件纳米加工 过滤器截止器谐振器微电容微电极 环境 纳米技术能消除水中小于200纳米和空气中小于20纳米的污染物 环境探测器 纳米结构反应器 水平和机遇 水平和机遇 新材料 轻质 高强 多功能 智能 自清洁 高聚物和纳米复合物 高表面积多孔材料 净化 分离 催化 生物相容 自我调整 药物分配器 国家纳米材料中长期发展计划 国家中长期科学和技术发展规划纲要 2006 2020 中规划的四个 重大科学研究计划 蛋白质研究 量子调控研究 纳米研究 发育与生殖研究重点研究内容与方向 纳米材料的可控制备 自组装和功能化 纳米材料的结构 优异特性及其调控机制 纳米加工与集成原理 概念性和原理性纳器件制备 纳米电子学 纳米生物学和纳米医学 分子聚集体和生物分子的光电磁学性质和信息传递 单分子行为与操纵 分子机器的设计 组装与调控 纳米尺度表征与度量学 纳米材料在能源 环境 信息 医药等领域的应用技术 中国纳米产业的发展目标 全方位向传统产业渗透 调整产品结构 推进传统产业业