纳米物理基本概念与纳米材料-1讲

纳米材料物理基础第一讲,2015级物理学硕士2016年3月,物理与微电子科学学院,SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience,讲课内容,第一讲,第一章纳米物理基本概念与纳米材料2周第二章纳米材料的制备方法（4人）3-4周第三章纳米材料的表征方法（4人）5-6周第四章纳米材料的力学性能（4人）7-8周第五章纳米材料的热学性能（4人）9-10周第六章纳米材料的电学性能（4人）11-12周第七章纳米材料的磁学性能（4人）13-14周第八章纳米材料的光学性能（4人）16-17周,上课安排：共分四个组，每组四位学生，主题见上页。每组选一位组长，负责内容协调。成绩构成：上课签到：30%；课堂讲解：30%结题报告：40%,上课安排及成绩构成,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.1纳米、纳米科技、纳米物理1.2纳米材料,纳米长度单位，1nm=10-9m,纳米科学：研究nm尺度，原子、分子和其它物质运动、变化规律；纳米技术：用该规律，在nm尺度对原子、分子操纵和加工。不仅尺度纳米化，使人类迈入新微观世界，物质运动受量子原理主宰。,特点：交叉、综合性。现代科学（量子力学、介观物理、混沌物理、分子生物学）和现代技术（计算机，扫描探针显微，电子束和电镜、激光和核分析技术）结合产物。纳米科技与其它交叉引发新学科、技术，nm电子学、nm生物学、nm材料学、nm机械学、nm光子学。nm材料和器件分支学科交点。,纳米物理：分支，研究原子以上100nm以下nm世界（介观）物理问题及应用科学。研究对象：至少一维度100nm以下原子或分子集合体。任务：研究nm材料与结构物理制备法，探索原子或分子性质反应规律。,纳米材料：至少一维nm尺度，或它们为基本单元构成特殊性能材料。,分类,按维数，三类：,（1）零维：空间三维均在纳米尺度，纳米尺度颗粒、原子团簇,（2）一维：空间二维处纳米尺度，纳米丝、纳米棒、纳米管,（3）二维：空间一维处纳米尺度，超薄膜,表示：Lowdimentionalnanomaterials（0D,1D,2D）,零维一维二维,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.1纳米、纳米科技、纳米物理1.2纳米材料,按形状：,（1）nm颗粒和粉体，nm管，nm线，nm棒，nm带，nm片，nm薄膜，介孔材料，nm针，nm孔洞，nm电缆，nm角，nanoparicles,nanotubes,nanowires,nanorods,nanobelts,nanoplatelets,nano-films,mesoporousmaterials,nanosheets,nanoneedles,nanocable,nanohorns,（2）纳米棒、丝与线：AspectRatio（纵横比）=Length/diameterAR小=纳米棒length1m,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.1纳米、纳米科技、纳米物理1.2纳米材料,团簇（clusters）纳米粒子（nanoparticle）一维纳米材料（1D）量子阱、量子线、量子点纳米孔洞（nanopores,mesoporous）,新化学物种，20世纪80年代发现。团簇：几至几百个原子聚集体，粒径或=1nm，Fen（n,m，含原子数），CunSm,CnHm和碳族(C60，C70)等。,物质第五态（四态准晶、等离子、非晶态,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,苯,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,埃克森美孚,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,巴基球富勒烯,富勒烯管,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,C60结构：12个五元环和20个六元环组成球形32面体，外形足球。六元环每个C原子双键与其他C原子结合，形成类苯环，键不同石墨sp2杂化轨道形成键，不同金刚石sp3杂化轨道形成键，以sp2.28杂化轨道（s30，p70）形成键。C60两键夹角106,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,C60固体绝缘体，碱金属掺杂金属导体，掺杂C60为超导体。Hebard发现Tc18K的K3C60超导体；变掺杂，获Tc更高超导体：Cs2RbC60为33K；Rb2.7Tl2.2C60为45K。掺杂C60Tc高仅次铜氧化物超导体。C60固体低温铁磁性。,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1992瑞士联邦大学D.Vgarte高强度电子束对C棒长t照射，发现多层相套巴基球，结构像洋葱，巴基葱（Buckyonlons）。70多层（图5）。,C80,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,埃克森美孚,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,纳米晶,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,量子点，量子力学（quantummechanics）出发。电子粒子与波动性，电子物质波特性取决费米波长（Fermiwavelength-F）。块材，电子远块材尺寸，量子限效应不显著。某维度尺寸一，电子只在另两维度构成二维空间自由运动，量子阱（quantumwell）；另维度一，电子只在一维方向运动，量子线（quantumwire）；三维度都一波长，量子点。,并非100nm材料是量子点，关键尺寸电子在材料内F决定。电子F在半导体内较在金属内长得多，半导体GaAs(100)，F40nm，铝金属只0.36nm。,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,人造原子,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,2.1团簇(clusters)2.2纳米粒子(Nanoparticles)2.3一维纳米材料Onedimentional(1D)nanomaterials2.4量子阱、量子线、量子点2.5纳米孔nanopores,mesoporous,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,纳米固体由纳米颗粒构成体相材料，含块体和薄膜。纳米颗粒为单元沿一维方向排成纳米丝，二维空间排形成纳米薄膜，三维空间堆积成纳米块体。分类：构成nm固体nm颗粒结构状态：nm晶体材料，nm非晶材料。nm颗粒组成：nm金属，nm离子晶体，nm半导体，nm陶瓷材料。纳米颗粒相数：单相nm颗粒构成固体nm相材料（nanophasematerials），每个nm颗粒由两相构成相应nm复相材料（nanomultiphasematerials）。,3.1纳米固体3.2纳米复合材料3.3纳米结构体系,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,3.1纳米固体3.2纳米复合材料3.3纳米结构体系,3.1纳米固体3.2纳米复合材料3.3纳米结构体系,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,1.纳米物理一些基本概念2.纳米材料的基本单元3.由纳米基本单元构筑的纳米材料4.纳米材料研究的三个阶段,3.1纳米固体3.2纳米复合材料3.3纳米结构体系,纳米结构：纳米组装材料体系或纳米尺度图案材料。nm尺度物质单元为基础，一定规律构筑或营造新体系，一维、二维和三维，纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。单元：nm颗粒，团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝及纳米孔洞。研究特点：强调人们意愿设计、组装、创造新体系，有目的使该体系有人们希望特性。美加利福尼亚大学洛伦兹伯克力国家实验室自然论文：纳米