纳米材料 绪论.ppt

纳米材料概论 王重辉 冀运东 第1讲绪论 物质世界的尺度范围宏观世界 最遥远的星际150亿光年 1 4 1026m 微观世界原子以下的尺度 1nm 10 9m 以下原子核尺寸 10 13 10 15m夸克与轻子的尺寸 10 19m 微观世界中的量子力学 由于微观粒子的玻粒二象性使经典力学失效量子力学是以基本作用量子h的出现和用整数来表示物质系统的状态为特征 即粒子能量的增减与传递不是连续的 而是量子化的 微观粒子不能以精确坐标 x y z 来描述 在某给定时间t 在 x y z内微观粒子都有存在的可能 几率分布质量随粒子的运动速度而有所变化 时间与空间也随粒子的运动速度而变 量子力学的历史 1 1900年 普朗克 MaxPlanck 1858 1947 辐射理论 电子 光子具有最小的能量值且以分立的能量变化 单位的整数倍 h常数 能量子假说 1905年 爱因斯坦 AlbertEinstein 1879 1955 光波也具有粒子的性质 光量子假说 1913年 玻尔 NielsBohr 1885 1962 绕原子核运动的电子也是一种波 玻尔原子模型的提出 1923年 德布罗依 DeBroglie 1892 1987 电子等实物粒子也有波粒二象性 德布罗依方程式的确立波长 h 质量 速率 量子力学的历史 2 1926年 薛定谔 ErwinSchrodinger 1887 1970 电子的波动方程的确立 薛定谔方程 1927年 波恩 MaxBorn 1882 1970 电子波的强度以该点的几率大小来表示几率波的提出电子 光子等实物粒子均有波粒二象性 量子力学的建立 薛定谔方程 量子力学中用波函数 r t 来描述微观粒子在空间的存在 波函数在空间某点的强度与该点粒子出现的几率成比例 宏观世界的底部 纳米世界的领域 1959年12 R P Feynman在美国物理学会年会上的著名报告 There splentyofroomatthebottom 在宏观世界的底部还有巨大的发展空间 1nm 10 10 3 m 10 6mm 10 9m 纳米材料 纳米材料的概念纳米材料尺度 1 100nm纳米材料至少有一维尺度在纳米范围零维纳米材料 纳米粒子一维纳米材料 纳米线 纳米管 二维纳米材料 纳米膜三维纳米材料 纳米块体材料 复合材料 复合材料 由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合成的多相固体材料 复合 的中英文意义对比填充filled 混合blend 熔合melting 复合composite complex 杂化hybrid 混容mixed 组装assemble 自组装self assemble 纳米复合材料 复合材料连续相 基体 分散相 增强材料无机 有机纳米复合材料0 0型复合 二种纳米粉体的复合0 2型复合 纳米粉体被聚合物纳米膜包覆2 3型复合 纳米片层与聚合物固体复合 纳米材料的发展过程 1959年Feynman提出许多设想 在原子或分子的尺度上加工制造材料和器件 制造几千百纳米的电路和10 100纳米的导线 1962年Kubo理论提出 金属的超微粒子将出现量子效应 显示出与块体金属显著不同的性能 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念 1984年Cleiter制备出金属纳米粒子 然后在真空中原位加压制备出Pd Cu Fe等金属纳米块状材料 20世纪80 90年代中扫描隧道显微镜 STM 与原子力显微镜 AFM 的发明 以后 纳米材料学成为独立学科 碳纳米材料FullereneC60结构与足球 有关C60的结构 1985年 在研究宇宙物质时发现了C60 以后又发现了C70与C82 C60分子直径为0 71nm 由12个五元环 20个六元环组合而成 C60分子中每个碳原子与相邻的3个碳原子形成两个单键与一个双键 可溶于有机溶剂 通过球体表面反应可在表面形成羟基 羧基及胺基等反应性基团 C60的应用前景 通过表面化学修饰及自组化形成高配位体构造及C60内包金属 生物催化剂1991年 C60与碱金属形成的的化合物具有超导性 在20GPa的超高压下 C60晶体能转变为金刚石 可用于设计多孔材料及获得纳米构造的钻石薄膜 C60的应用前景 由于无毒性可作为医用材料 可望在临床诊断及特殊药物治疗中得到应用 如C60内部充填药物易与蛋白质及病毒相互作用 能吸收生体内的活性氧 延缓衰老半导体及超导体 2次高能量电池材料 光盘磁性纪录材料等 C60的合成技术 电弧放电法 1990 将碳棒作为电极进行电弧放电 再用有机溶剂提取由碳蒸发凝缩的煤雾 收率10 15 高频感应等离子体法 燃烧法 减压下1000 下使苯或甲苯不完全燃烧 收率20 已产业化 有机纳米材料Dendrymer 巨分子 巨分子的构造 因一代一代合成与精制 所以具有单一的分子量与构造 各代的分子大小可阶段性的改变 核 枝及表面可介入各种功能性基团 具有外壳和柔性内部的3维结构 其外壳可将内部与外界隔开 巨分子的应用前景 因靠近核附近存在纳米空间 可以捕集分子或金属粒子等形成纳米高效催化功能 制作生物催化剂与药物结合形成缓释性靶向给药系统 纳米材料用低粘度多反应性光固化剂等 纳米碳管 碳管的TEM像 单层纳米碳管性质 直径1nm 长度数10um碳纤维的终极形式 巨大分子的固体材料 呈现金属或半导体的电气特性 强韧的机械特性 高热传导性 单层纳米碳管的应用前景 场效应晶体管等电子元件和布线平面显示器等的电场发射电子源燃料电池用吸氢材料扫描式探针显微镜的探针高热传导元件高强度复合材料导电性复合材料 参考书 纳米材料和纳米结构 科学出版社 张立德 牟季美纳米碳管 机械工业出版社 朱宏伟 吴德海 徐才录纳米材料制备技术 化学工业出版社 王世敏 许祖勋 傅晶新型电子薄膜材料 化学工业出版社 陈光华 邓金祥 参考书 纳米材料的理化特性与应用化学工业出版社倪星元 沈军 张志华纳米材料机械工业出版社丁秉钧纳米陶瓷材料及其应用国防工业出版社戴遐明聚合物 无机纳米复合材料化学工业出版社柯扬船 皮特 斯壮 纳米材料和纳米结构 科学出版社 张立德 牟季美 主要内容包括 纳米科技概念的阐述纳米微粒的基本理论 物理 化学性能各种合成技术的简介表征 测量技术简介应用简介 等等 纳米碳管 机械工业出版社 朱宏伟 吴德海 徐才录 对于纳米碳管的研究状况进行了全面介绍主要内容 关于C60的介绍C60与碳纳米管的结构关系各种纳米碳管的制备技术纳米碳管的生长机理纳米碳管的各种性能介绍潜在应用领域的介绍 纳米材料制备技术 化工出版社 王世敏 许祖勋 傅晶 介绍了各种纳米材料的制备技术气相法液相法固相法表面修饰一维纳米材料2 3维纳米材料纳米复合材料纳米结构 新型电子薄膜材料 化工出版社 陈光华 邓金祥 主要介绍各种电子薄膜材料的性能及制备技术 其中部分薄膜是2维纳米薄膜 具有一定的参考价值 特别考虑的纳米电子学的地位 对于薄膜技术以及一些功能薄膜的研究应该给予足够重视 纳米科技的主要领域 纳米材料科学 纳米物理学 纳米化学 纳米电子学 纳米机械学 纳米生物 医学 纳米材料表征 测量 加工 有关纳米科技Internet Google 中文网页 纳米科技 英文网页 Nanotechnology 纳米生物材料 药物技术市场 生物材料在药物技术上的应用纳米材料的尺寸在1 100nm范围内 而大多数重要的生物分子 如蛋白质 核酸等 的尺寸都在这一尺度内 可利用纳米材料进入生物组织内部探测生物分子的生理功能 1 高灵敏度生物探针2 定向输送与释放的靶向性药物 预计10年内全球有1900亿美元的市场占药物50 纳米半导体技术市场 纳米半导体技术1 纳米半导体结构材料的制备技术2 纳米半导体量子器件的制造技术a 电子器件 b 光电子器件问题点1 制造纳米器件的加工设备 10nm左右 2 材料的完整性 纯度 高的表面态密度等发展趋势 自下而上 的方法 分子自组装 传统结构材料与功能材料市场 纳米催化剂 生物模拟催化剂高强度 高韧性有机材料增韧陶瓷等无机材料粉末冶金技术 先端金属材料导电 吸波等功能材料无机 有机复合材料问题点 成本 性能比 本课程考核方法 课程论文课程论文的提交30 课程论文质量30 课堂练习40 课程论文内容 与纳米材料或纳米技术有关的国外文献综述文献要涉及到与纳米材料或纳米技术有关的内容 如纳米半导体材料与技术 纳米生物材料与技术 纳米催化材料与技术 纳米复合材料与技术 纳米磁性材料与技术等2 要求 1 1500字左右 手写 2 附文献来源 或摘要