浙江大学物理学在高新材料中的应用 课件六.ppt

物理学在高新技术材料中的应用（纳米科技）,沙健,(一)基本概念(二)纳米材料的研究方法(三)纳米材料应用,(一)基本概念,纳米科学和技术,纳米材料科学和技术纳米电子科学和技术纳米生物科学和技术纳米机械,纳米加工.,纳米科学和技术,通常把1-100纳米作为纳米科技的适用范围,原子,分子,块体,微观介观宏观,材料结构单元尺度：1100nm,零维团簇,纳米颗粒,C60族等,准一维纳米管、线、棒,纳米材料,三维纳米块体纳米多孔材料,纳米材料（按形貌分类）,二维超晶格薄膜,金属合金,有机高分子,其它,陶瓷无机氧化物等,纳米材料种类（按成分和结构分类）,纳米材料有天然存在的,n-Cu室温轧制超塑性,K.Lu,etal,Science,287,1463,2000,只有那些变成纳米尺寸后能显示出新的性质，或原有性质发生了改进的材料才有制作和研究价值。,人工制作纳米材料,Fibonaccinumber:AB8/5,C:13,21Fibonacci级数:1,2,3,5,8,13,21,34,55.,团簇幻数,C60固体结构,85年发现，96年Nobel奖,1991,IgimafirstexperimentallyobtainedCNano-Tubes,Afterthat,manypeopleplungedintothisarea,andmoreandmoreCNTswithmultiple-layersorsinglelayer,differentdiameterandlengthappearintheworld,HREMimageofC-Nano-Tube,Modelforthestructure,1991,IgimafirstexperimentallyobtainedCNano-Tubes,Lastyear,GermanyscientistsOliverG.SchmidtandKarlEberlmadeaSi-GeNano-tubebyrollupafilm.Nature418(2001)168。,ThenwegiveamodeltothegrowthoftheSiNTs:,AFMimageofsurfaceofNCA.Density107/mm2Diameter10nm,Al,Al2O3wall,10m,Nano-ChannelAl2O3asSubstrate,Channel,Diameter20mm,L(m)r(nm),线、管、同轴缆线、带,1）小尺寸效应当结构单元的尺寸减小到与某些物理特征尺度相当时，纳米材料宏观物理性质发生变化。如超导相破坏、磁性矫顽力突增、发生结构相变、熔点降低、对光的反射率降低等。2）量子尺寸效应当纳米材料结构单元某一维度上的尺寸下降到某个值的时候，费米面附近的电子能谱由准连续变到离散，表面结构和电子态急剧变化，能隙变宽，处于分离的量子化能级中的电子波动使其产生一系列反常，如场至发光、光吸收带移动、载流子的量子约束和量子输运、导体变成绝缘体等。3）表面效应纳米材料结构单元表面与内部原子的数量比、比表面积（m2/g）、比表面能都随着基元尺寸的下降而迅速提高。（R=10nm,20%,66m2/g,5.9X102J/mol,1nm,99%,660m2/g,5.9X103J/mol,主要起源于：,(二)纳米材料的研究方法,纳米材料制备方法,物理,化学,生物,PVD,BM,Solgel,CVD,人工合成蛋白,传统的从大到小的方式,1m500,纳米科技独特的从小到大的方式,现状(基础研究）：零维纳米材料，研究了近20年；二维纳米材料，依托薄膜领域内已研究得很深入。三维纳米材料（块体），也无太多基本问题。,准一维纳米材料，还未被人们深入了解。,新的物相，新的特性。,一维纳米材料头发,头发大树,何谓一维纳米材料？,SynthesisofSiNWs,MotivationofmakingSiNWsCompatiblewiththetraditionalSibulkmaterialinITItispossibleforSiNWS:Signalgeneration、Signaltransmission、Signalstorage,SiNWsservedualpurpose:bothactivedevicesandinterconnects.CrossedSiNWsarchitectureprovidesnaturalscalingandpotentialforintegrationathighestdensities.,Ptype,Ntype,Diodeconnect,Topredictrationallygrowthconditionswemustidentify(i)catalystmaterial(ii)composition(iii)growthcondition.Thesecanbedeterminedfromphasediagrams.e.g.Startingliquid:Au+Si,BinaryAu-SiPhaseDiagram,SyntheticDesign,ExperimentalOverview,*Breakingsymmetryfor1Dgrowth,andadditionofSiduringthewholeprocess.,*Thekeyissueforcontrollednano-wiregrowthisthegenerationofnano-scale“Si+catalyst”droplet,*Thegrowthprocessbeginswhenthedropletbecomessupersaturatedwithsilicon,Nano-sizecatalystparticle,supersaturateprecipitation,growth,preferredorientation,droplet,VLSmechanism(Vapor-Liquid-Solid),Au,Si,Si,SynthesisofarrayorderlySiNWs,Die(Nano-tube),Si,InCVDsystem,900K,Al,Al2O3wall,1m,AnodicAl2O3(AAO)plateasdie,Nano-TubeDiameter5nm,AFMimageSEMimageAAOsurface.Density107/mm2Diameter5nm,1cm,CVDsystem,Al2O3,1931，Ruska和Knoll研制成功了第一台电子显微镜1938，Ruska，分辨率只有10nm1956，Menter，分辨率达到0.8nm现在，已经达到0.1-0.2nm，,TEMSTEM(TransmissionElectronMicroscopy