第十四章--纳米结构和纳米材料的应用-ppt课件

第十四章纳米材料和纳米结构的应用 第十四章纳米结构和纳米材料的应用 特点及应用前景 纳米材料具有奇特的物理化学特性 因此在信息 生物技术 能源 环境 制造和国防等领域具有广泛应用前景 而且在很多方面也取得初步成果 纳米材料为实现材料的小型化 智能化 元件的高集成 高密度存储和超快传输提供了可能性 1量子磁盘与高密度磁存储2高密度记忆存储元件3单电子晶体管的用途4高效能量转化纳米结构5超微型纳米阵列激光器纳米结构的应用6光吸收的过滤器和调制器7微型传感器8纳米结构高效电容器阵列9超高灵敏度电探测器和高密度电接线头10纳米结构离子分离器1陶瓷增韧2磁性材料3纳米微粒的活性及其在催纳米材料的应用化方面的应用4在生物和医学上的应用5光学应用6在其他方面的应用 一 纳米结构的应用 1 量子磁盘与高密度磁存储计算机中具有存储功能的磁盘发展总趋势是尺度不断减小 存储速度快速提高 人们曾经试图通过减小磁性材料的颗粒尺寸继续提高磁盘的存储密度 但受到超顺磁性的限制 1995年 人们根据需要设计新型的纳米结构 提高磁存储密度 1997年 量子磁盘问世 使磁盘的尺寸比原来的磁盘缩小了10000倍 磁存储密度达到4xl011bit in2 1997年 密尼苏达 Minnesota 大学电子工程系纳米结构实验室成功制备了纳米结构的磁盘 尺寸为100nmxl00nm 它是由直径为10nm 长度为40nm的Co棒按周期为40nm排列成阵列 如右图 这种磁性的纳米棒阵列实际上是一个量子棒阵列 它与传统磁盘磁性材料呈准连续分布不同 纳米磁性单元是分离的 因而人们把这种磁盘称为量子磁盘 硬盘的物理结构 以下资料可参看 硬盘大世界 优因培少儿科技大全 1 磁头硬盘内部结构磁头是硬盘中最昂贵的部件 也是硬盘技术中最重要和最关键的一环 传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头 但是 硬盘的读 写却是两种截然不同的操作 为此 这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读 写两种特性 从而造成了硬盘设计上的局限 而MR磁头 Magnetoresistiveheads 即磁阻磁头 采用的是分离式的磁头结构 写入磁头仍采用传统的磁感应磁头 MR磁头不能进行写操作 读取磁头则采用新型的MR磁头 即所谓的感应写 磁阻读 这样 在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化 以得到最好的读 写性能 另外 MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度 因而对信号变化相当敏感 读取数据的准确性也相应提高 而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关 故磁道可以做得很窄 从而提高了盘片密度 达到200MB 英寸2 而使用传统的磁头只能达到20MB 英寸2 这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因 目前 MR磁头已得到广泛应用 而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头 GiantMagnetoresistiveheads 也逐渐普及 2 磁道当磁盘旋转时 磁头若保持在一个位置上 则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹 这些圆形轨迹就叫做磁道 这些磁道用肉眼是根本看不到的 因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区 磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的 相邻磁道之间并不是紧挨着的 这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响 同时也为磁头的读写带来困难 一张1 44MB的3 5英寸软盘 一面有80个磁道 而硬盘上的磁道密度则远远大于此值 通常一面有成千上万个磁道 3 扇区磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段 这些弧段便是磁盘的扇区 每个扇区可以存放512个字节的信息 磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时 要以扇区为单位 1 44MB3 5英寸的软盘 每个磁道分为18个扇区 4 柱面硬盘通常由重叠的一组盘片构成 每个盘面都被划分为数目相等的磁道 并从外缘的 0 开始编号 具有相同编号的磁道形成一个圆柱 称之为磁盘的柱面 磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的 由于每个盘面都有自己的磁头 因此 盘面数等于总的磁头数 所谓硬盘的CHS 即Cylinder 柱面 Head 磁头 Sector 扇区 只要知道了硬盘的CHS的数目 即可确定硬盘的容量 硬盘的容量 柱面数 磁头数 扇区数 512B 硬盘是一种主要的电脑存储媒介 由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成 这些碟片外覆盖有铁磁性材料 绝大多数硬盘都是固定硬盘 被永久性地密封固定在硬盘驱动器中 计算机的外部存储器中也采用了类似磁带的装置 比较常用的一种叫磁盘 将圆形的磁性盘片装在一个方的密封盒子里 这样做的目的是为了防止磁盘表面划伤 导致数据丢失 软盘都有一个塑料外壳 比较硬 它的作用是保护里边的盘片 盘片上涂有一层磁性材料 如氧化铁 它是记录数据的介质 在外壳和盘片之间有一层保护层 防止外壳对盘片的磨损 软盘的读写是通过软盘驱动器完成的 软盘驱动器设计能接收可移动式软盘 目前常用的就是容量为1 44MB的3 5英寸软盘 软盘存取速度慢 容量也小 但可装可卸 携带方便 光盘的存储原理比较特殊 里面存储的信息不能被轻易地改变 也就是说我们常见的光盘生产出来的时候是什么样 就一直是那样了 由于软盘的容量小 光盘凭借大容量得以广泛使用 我们听的CD是一种光盘 看的VCD也是一种光盘 现在一般的硬盘容量在3GB到20多GB之间 软盘的容量为1 44MB多 光盘的最大容量大约是650MB DVD盘片单面4 7GB 计算机的存储器有两类 一类是内部存储器 一断电就会把记住的东西忘光 一类是外部存储器 断了电也能记住 内部存储器嘛 就是内存 它的速度快 但是里面的信息一断电就被没有了 什么也剩不下 外部存储器呢 主要是磁盘 它所存储的信息不受断电的影响 但是它的速度相对于内存就慢得多了 磁盘又分为两类 一类是硬盘 一类是软盘硬盘的容量比较大 也就是说它能记录的信息比较多 而且一般都装在机箱里面 软盘的容量就相对比较小了 一般放在机箱外面 计算机上有个特殊的地方叫做软盘驱动器 要用软盘的时候就把它放进这个地方 不用的时候可以很方便地拿出来带走 硬盘在机箱里面负责储存数据 而软盘用来搬运数据 硬盘的容量大 软盘的容量小 这就是它们的区别 另外硬盘的存取速度比软盘快得多 平时我们用的音乐CD VCD影碟都是光盘 电脑上用的软件光盘和它们外表看起来是一样的 而且CD和VCD都可以在电脑上使用 一般的光盘都是只能读不能写的光盘的存储原理比较特殊 里面存储的信息不能被轻易地改变 也就是说我们常见的光盘生产出来的时候是什么样 就一直是那样了 有一种特殊的光盘CD R是可以写的 但需要使用 光盘刻录机 才能把文章写到CD R光盘上 2 磁性材科 1 巨磁电阻材料磁性金属和合金一般都有磁电阻现象 所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象 人们把这种现象称为磁电阻 所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小 一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍 我国科技工作者在颗粒膜巨磁阻研究方面取得了进展 在颗粒膜的研究中发现了磁电阻与磁场线性度甚佳的配方与热处理条件 为发展新型的磁敏感元件提供了实验上的依据 2 新型的磁性液体和磁记录材料关于磁性液体 1963年美国国家航空与航天局的Papell首先采用油酸为表面活性剂 把它包覆在超细的Fe3O4微颗粒上 直径约为10nm 并高度弥散于煤油 基液 中 从而形成一种稳定的胶体体系 在磁场作用下 磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动 因此 好像整个液体具有磁性 于是 取名为磁性液体 3 高密度记忆存储元件记忆存储元件发展趋势是降低元件尺寸 提高存储密度 铁电材料 特别是铁电薄膜是设计制造记亿存储元件的首选材料 1998年德国马普学会微结构物理研究所 德国Halle 利用自组织生长技术在铁电膜上成功合成了纳米Bi2O3有序平面阵列 铁电薄膜选用钛酸铋和钽酸锶铋 纳米Bi2O3属于能导电的 相 记忆元件尺寸比NEC的小50倍 达到了14nmX14nm 芯片的存储密度达1Gbit in2 因此 纳米结构有序平面阵列体系是设计下一代超小型 高密度记亿元件的重要途径 4 单电子晶体管的用途单电子晶体管的用途很多 其中包括下面三方面的应用 1 单电子记忆依据单电子晶体管 库仑岛 上存在或缺乏一个电子的状态变化 单电子晶体管可用作高密度信息存储的记忆单元 所以单电子晶体管可以发展成未来数字电脑的标准部件 2 超敏感电流计由图14 2可以看出 外加一个磁场 约2T 使单电子晶体管从超导态转变为正常态时 只要 栅 电极上有e 2电荷量的改变 约109电子 s的电流就可以通过器件 利用这个性质即电荷的高灵敏度 可以制成高精度的电流计 3 微波探测单电子晶体管对微波很敏感 超导单电子晶体管在黑体辐射下 光子辅助隧穿会影响这个系统的电荷迁移 只要有微量的微波辐射 器件的电子性质会出现新的特征 单电子晶体管的特性通常在稀释制冷机内进行测量 真空室表面温度为4K 当用微波进行辐照时 辐射能通过导线与器件耦合 处于超导态的单电子晶体管器件吸收了频率为约80GHz的辐射后 使原先在Q0 0 且能量上被禁止的单电子隧穿过程得以进行 此时 在电流曲线上可观察到一个小的库珀对隧穿产生的电流峰 此峰的高度与被吸收微波的功率成正比 电流对功率的感应率为约3x105A w 有此特性微波探测才能得以实现 5 高效能量转化纳米结构 1 高效再生锂电池目前具有再生能力的电池得到了广泛应用 锂电池即是具有再生能力的电池 具有高能量密度 提高锂电池效率只在于工作电极的设计 工作电极的功能是充电时 有更多的Li离子被储存到工作电极中 放电时 Li离子由工作电极经电解液迁移到另一电极Li丝上 人们开始采用纳米结构代替多孔材料 20世纪90年代末 复合纳米结构作为锂电的工作电极在实验室研制成功 离子储存材料具有低电导率 1998年美国又报道了高能量密度的锂电池工作电极研制成功 分析目前研究现状和发展趋势 高效锂电池的工作电极采用纳米结构指日可待 2 太阳能电池太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源 也是清洁能源 不产生任何的环境污染 因此 太阳能的利用是下一世纪能源开发的重点 在太阳能的有效利用当中 大阳能光电利用是近些年来发展最快 最具活力的研究领域 为此 人们研制和开发了太阳能电池 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础 其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应 硅太阳能电池 以无机盐如砷化镓III V化合物硫化镉 铜铟硒等多元化合物为材料的电池 功能高分子材料制备的大阳能电池 纳米晶太阳能电池等 据所用材料的不同 太阳能电池可分为 半导体材料的禁带不能太宽对太阳能电池材料要有较高的光电转换效率的一般要求材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定硅系太阳能电池在硅系太阳能电池中 单晶硅太阳能电池转换效率最高 技术也最为成熟 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的 由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响 致使单晶硅成本价格居高不下 针对此不足 目前有了进一步改进 例如 1 多晶硅薄膜太阳能电池 2 非晶硅薄膜太阳能电池 改进后节省了材料 同时降低了成本为大规模生产奠定了良好的基础 多元化合物薄膜太阳能电池随着制备太阳能电池技术的进一步发展 科技工作者们还研制了其它材料的太阳能电池 其中主要包括砷化镓III V族化合物 硫化镉及铜铟硒薄膜电池等 上述电池中 尽管硫化镉 碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高 成本较单晶硅电池低 并且也易于大规模生产 但从环境方面考虑由于镉有剧毒 会对环境造成严重的污染 因此 它不是理想的替代晶体硅太阳能电池的较佳产品 聚合物多层修饰电极型太阳能电池原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势 在导电材料 电极 表面进行多层复合 制成类似无机P N结的单向导电装置 其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰 外层聚合物的还原电位较高 电子转移方向只能由内层向外层转移 另一个电极的修饰正好相反 并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位 当两个修饰电极放入光敏化剂时 光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上 还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移 只能通过外电路还原电位较高的电极回到电解液 因此外电路中有光电流产生 这种电池是有很好的应用前景的 太阳能电池发展的展望硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池是今后发展的重点 由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本 因此 它最终将取代单晶硅电池 成为市场的主导产品 提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素 对于目前的硅系太阳能电池 要想再进一步提高转换效率是比较困难的 因此 在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要 也是今后太阳能电池发展急需解决的问题 我们有理由相信 随着我国构建社会主义和谐社会的不断深入和科技的不断进步太阳能必将成为未来的主要能源之一 而太阳能电池也会得到广泛的应用 下图是关于太阳能电池在生产生活中的一些应用 图 是太阳能电池板 太阳能电池组件 图2是太阳能充电器 图3是太阳能手机充电器 图4是单晶硅太阳能组件 纳米阵列激光器是2l世纪超微型激光器重要的发展方向 回顾激光器发展的历史 大致可以分为3个阶段 自从20世纪60年代激光被发现以来 1962年就制成了第一个半导体激光器 几十年来 人们主要围绕三方面问题来不断改进激光器 一是进一步增加激光强度 二是降低产生激光的门电流密度 三是提高热稳定性 6 超微型纳米阵列激光器 7 微型传感器 传感器是超微粒的最有前途的应用领域之一 利用超微粒可制成敏感度高的超小型 低能耗 多功能传感器 传感器在生产生活中用途广泛 下面做一简单介绍 1 气体传感器气体传感器是化学传感器的一种 它是利用金属氧化物随周围气氛中气体组成的改变 电学性能 如电阻 所发生的变化来对气体进行检测和定量测定的 用作气体传感器的微粒粒径为1至几微米 粒子越小 比表面积越大 则表面与周围接触而发生相互作用越大 从而敏感度越大 常见的气体传感器有ZnO SnO2膜 还有复合材料等 不同的气体传感器有不同的选择性 工作温度 以及稳定性等 2 红外线传感器由Au超微粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器 Au超微粒子膜的特点是对可见到红外整个范围的光吸收率很高 大量红外线被金膜吸收后转变成热 由膜与冷接点之间的温差可测出温差电动势 因此 可制成辐射热测量器 下图为Au超微粒膜的红外传感器的剖面图 3 湿敏传感器利用纳米微粒与介孔固体组装成组装体的环境敏感效应 可制成纳米结构的传感器 Ag纳米颗粒与介孔固体形成的组装体系 当Ag的含量约为1 时 环境湿度小于60 下 组装体呈透明的淡黄色 当环境相对湿度达80 时 组装体变成黑色 经200 加热 体系恢复透明的白色 这种受环境湿度影响透明 不透明可逆转变的现象可以作为设计纳米微型开关的基础 传感器还有好多种 可以用于生产生活中好多领域 以下是一些传感器的图片 1 烟雾传感器 温度传感器 3 4 5 6 光电传感器 红外线报警器 甲烷传感器 H2S传感器 7 8 9 高精度温湿度传感器 H2S传感器 精密位移传感器 二 纳米材料的应用 纳米微粒的小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁 光 电 敏感等方面呈现常规材料不具备的特性 因此纳米微粒在磁性材料 电子材料 光学材料 高致密度材料的烧结 催化 传感 陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景 1 陶瓷增韧 纳米微粒颗粒小 比表面大并有高的扩散速率 因而用纳米粉体进行烧结 致密化的速度快 还可以降低烧结温度 目前材料科学工作者都把发展纳米高效陶瓷作为主要的奋斗目标 各国科学家都致力于对陶瓷性质的改善 长期以来我国科技工作者也在这方面积极努力 并取得了相当好的成果 比如在高性能纳米陶瓷研究方面 无论是强度 韧性的提高 还是烧结温度我国的科技工作者已成功地用多种方法制备了纳米陶瓷粉体材料 其中氧化钻 碳化硅 氧化铝 氧化铁 氧化硅 氮化硅都已完成了实验室的工作 制备工艺稳定 生产量大 已为规模生产提供了良好的条件 这为新型陶瓷的广泛利用奠定了基础 2 在生物和医学上的应用 利用纳米微粒在进行细胞分离 细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等方面具有广阔的应用前景 1 细胞分离在医疗方面 经常要实现细胞分离 如分离出孕妇血液中胎儿细胞 来判断胎儿是否有遗传缺陷 以及早期发现分离癌细胞等 细胞分离的基本原理和过程是 先制备SiO2纳米微粒 尺寸控制在15 20nm 结构一般为非晶态 再将其表面包覆单分子层 包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定 一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层 这种SiO2纳米粒子包覆后所形成复合体的尺寸约为30nm 第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液 适当控制胶体溶液浓度 第三步是将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中 再通过离心技术 利用密度梯度原理 使所需要的细胞很快分离出来 易形成密度梯度优点易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离 2 细胞内部染色 3 表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用 3 光学应用 纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性 如光学非线性 光吸收 光反射 光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系 1 红外反射材料 纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用 由纳米微粒制成的红外膜的种类列于表14 3 表中各种膜的构造如图14 13所示 各种膜的特性见表14 4 各种膜的优缺点 由上述图表可看出 在结构上导电膜最简单 为单层膜 成本低 金属 电介质复合膜和电介质多层膜均属于多层膜 成本稍高 在性能上 金属 电介质复合膜红外反射性能最好 耐热度在200 以下 电介质多层膜红外反射性良好并且可在很高的温度下使用 900 导电膜虽然有较好的耐热性能 但其红外反射性能稍差 2 优异的光吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象 纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象 纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性 通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜 这种膜对紫外的吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分 目前 对紫外吸收好的几种材料有 i 30至40纳米的