第一章-纳米材料与纳米科技概述-1

纳米材料(Nano-Materials),课程目的：了解纳米材料与纳米技术的基本概念、发展历史、应用领域及其对现代科技发展的重要性；理解纳米材料的结构、性能和基本制备方法；理解纳米材料在几个领域的典型应用及其作用原理，了解国内外纳米研究的前沿和热点问题；能够应用所学纳米材料与纳米技术的知识，分析和解决相关问题。,主要参考书：1丁秉钧，纳米材料，机械工业出版社，20042刘吉平等，纳米科学与技术，科学出版社，20023张志焜等，纳米技术与纳米材料，国防工业出版社，20004曹茂盛等，纳米材料导论，哈尔滨工业大学出版社，20015黄德欢，纳米技术与应用，中国纺织大学工业出版社，20016日川合知二主编，陆求实译，图解纳米技术的应用，文汇出版社，20047朱屯等，国外纳米材料技术进展与应用，化学工业出版社，20028张立德等，纳米材料和纳米结构，科学出版社，2001,与纳米有关的网站:中科院纳米科技网丰海纳米纳米世界T.uk纳米科技网联科纳米,与纳米有关的网站:,世界纳米网www.world-中国科技网中国材料资讯网www.mat-中国材料信息网万方数据系统,主要内容,第一章纳米材料与纳米科技概述第二章纳米科技的典型研究方向第三章纳米材料的性能与制备方法第四章纳米材料的测试与表征技术第五章纳米材料在电子信息领域的应用第六章纳米材料在航空航天领域的应用第七章纳米材料在能源环保领域的应用第八章纳米材料在生物医学领域的应用,引言,2005年中国十大科技新闻：上天、入地、登峰、造极上天：2005年10月17日21日，神州六号飞天成功。入地：大陆科学钻探深入地下5158米。登峰：重新测量珠峰高程8844.43米。造极：征服南极冰盖最高点。,引言,2005年世界十大科技新闻：从1012到10-12米1012：美国“惠更斯”飞船登陆土卫六，飞行距离是1012米。10-12：法国科学家在10-12米水平上进行了控制单分子的实验。超大容量纳米级信息存储材料研制成功。,第一章,纳米材料与纳米科技概述,第一章纳米材料与纳米科技概述,1.1相关概念1.2纳米技术对人类社会进步的影响1.3纳米科技发展历程1.4世界各国纳米技术研究的战略重点,纳米(nanometer)是一种长度单位，是十亿分之一(10-9)米。是宏观与微观世界之间介观领域中大小长短的衡量尺度。,1nanometer=10-9meter1angstrom=0.1nanometer,通常,nanometer简写为nm；angstrom用符号来表示。,什么是纳米？,1.1相关概念,几种形象的比喻：,1米与1纳米：地球与高尔夫球。,1纳米：10个氢原子依次排列起来的长度。,1纳米：一根头发丝直径的八万分之一。,1.1相关概念,1.1.1客观世界的认识程度,1.1.2纳米技术的定义及其特征,1.1.3纳米科技的分类,1.1.4纳米研究的主要手段,1.1.5纳米科技的基础-纳米材料,1.1.6纳米材料的主要应用领域,宏观,微观,介观,1.1.1客观世界的认识程度,上限：无限大的宇宙天体；下限：人的肉眼可见的最小物体。,上限：以分子原子为最大起点；下限：无限小的领域。,宏观和微观之间的中间领域：从几个到几百个原子以上的范围。广义上说，凡是出现量子相干现象的体系统称介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系。,狭义的介观领域：1001000nm有关电输运现象的研究。,纳米体系和团簇就从这种“狭义”的介观范围独立出来,称纳米体系。(团簇：一类新发现的化学物种，几个至几百个原子的聚集体，小于1nm。),这种人眼已无法看清的长度所代表的特别微小的物质世界，称为纳米世界，其中的客观物质就是纳米物质。,当物质尺度减少至引起其物理现象突变的临界尺寸之下时，该物质将产生出许多新的性质。纳米科学与技术正是研究这个尺度下的各种科学现象和产生的技术问题的。这一领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，开辟了人类认识世界的新层次，使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，标志着人类的科学技术水平进入了一个新时代，即纳米科技时代。,1025m：约10亿光年，人类已观测到的宇宙总星系的大致范围。,1021m：地球和太阳所在的一个普通恒星系统-银河系的全貌，因其投影在天球上的乳白亮带-银河而得名。,既然纳米只是一种尺度，不妨将人类所研究的物质世界对象按照人类的尺度来衡量，看看所处的客观世界：,1014m：1000亿千米，可看到冥王星-太阳系九大行星中与太阳的平均距离最远、也是最小的一颗行星的完整轨道。,107m：1万千米，可分辨地球的尺度。,题外话-地球是人类的摇篮，但人类不能总是呆在摇篮里，他要去探索外面的世界。天文学和行星科学能够帮助人们回答一些基本问题，如：我们从哪里来？为何在此处？未来又如何？,民族的骄傲为世人瞩目的飞天,时间：2003年10月15日。地点：酒泉卫星发射中心。神舟五号载人飞船在用新型长征运载火箭发射升空。,103m：1千米，可分辨城市居民区的建筑排列。,101m：10米，可看清在足球场上的运动员。,10-2m：1厘米，可分辨皮肤表面皱纹的局部。,10-4m：100微米，可分辨人体细胞，大小约17微米。,10-6m：1微米，可看到染色体（真核细胞有丝分裂和减数分裂时由染色质聚缩而成的结构，一般呈棒状，易被碱性染料染色）中聚集的染色质。,10-7m：100纳米，可分辨染色质（由核内的脱氧核糖核酸(DNA)与组蛋白、非组蛋白等结合形成的线状结构）的两部分。,介观体系的上限：1微米,纳米体系的上限：100纳米,10-9m：1纳米，可分辨DNA（脱氧核糖核酸，由1分子磷酸+1分子脱氧核糖+1分子含氮碱基所组成）的分子结构。（基因是具有遗传效应的DNA分子片段）,10-10m：100皮米或1，可看到电子云笼罩下的原子轮廓。,纳米体系的下限：1,10-13m：100飞米，可以从整体上分辨出原子核。,10-14m：10飞米，可看清原子核中的质子和中子。,10-15m：1飞米，可分辨出组成质子和中子的夸克。,10-16m：100阿米，可进一步看清夸克，大小为10-19m。,另一位古代哲学家孙龙（公元前325250）：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”。说明物质的无限可分性。,微观世界的下限仍在探索中-,古代哲学家韩非子（公元前280233）：“凡物之有形者，易裁也，易割也。何以论之？有形，则有短长，有短长则有大小”。说明物质有大小之分。,美国著名理论物理学家、诺贝尔奖得主RichardP.Feynman的一个精彩预言（1959年）：,“如果我们按自己的愿望一个一个地排列原子，将会出现什么呢？这些物质将有什么性质呢？这是十分有趣的问题。虽然我现在不能准确回答这个问题，但我决不怀疑当我们能在如此小的尺寸上进行操纵时，将得到具有大量独特性质的物质”。,-随着对纳米世界研究的深入，他的预言正在逐渐成为现实。,Rearrangingtheatoms:Whatwouldthepropertiesofmaterialsbeifwecouldreallyarrangetheatomsthewaywewantthem?Theywouldbeveryinterestingtoinvestigatetheoretically.Icantseeexactlywhatwouldhappen,butIcanhardlydoubtthatwhenwehavesomecontrolofthearrangementofthingsonasmallscalewewillgetanenormouslygreaterrangeofpossiblepropertiesthatsubstancescanhave,andofdifferentthingsthatwecando.,TheresPlentyofRoomattheBottom-AnInvitationtoEnteraNewFieldofPhysicsbyRichardP.Feynman,1.1相关概念,1.1.1客观世界的认识程度,1.1.2纳米技术的定义及其特征,1.1.3纳米科技的分类,1.1.4纳米研究的主要手段,1.1.5纳米科技的基础-纳米材料,1.1.6纳米材料的主要应用领域,1.1.2纳米技术的定义及其特征,纳米技术的定义纳米技术：在纳米量级范围内（0.1-100nm）对分子、原子进行操纵和加工的技术，是用单个原子、分子制造物质的技术，是研究一小堆原子(团簇)甚至于单个原子或分子的一门学科；是以纳米科学为基础，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。纳米科技：研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质所组成体系的运动规律、相互作用及其应用的科学技术。,纳米技术研究的特点：,以现代先进科学技术和物理、化学的微观研究理论为基础；以当代精密仪器和先进的分析技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微技术、核分析技术)为手段；是一个内容广阔的多学科群。在这一领域，各传统学科之间的界限变得模糊，各学科高度交叉和融合。,纳米技术的三个特征：,至少必须有一维具有0.1100纳米的尺度；设计过程必须体现微观操纵的能力；组合起来可形成更大的结构并且具有优异的电气、化学、机械等性质。,1.1相关概念,1.1.1客观世界的认识程度,1.1.2纳米技术的定义及其特征,1.1.3纳米科技的分类,1.1.4纳米研究的主要手段,1.1.5纳米科技的基础-纳米材料,1.1.6纳米材料的主要应用领域,1.1.3纳米科技的分类,纳米电子学纳米物理学纳米化学纳米生物学纳米机械学纳米表征学,纳米电子学纳米物理学纳米化学纳米生物学纳米材料学纳米力学纳米加工学,国际纳米科学与技术委员会分类:,另一种分类:,根据日本专利局专利申请技术动向调查报告修改而成。,1.1相关概念,1.1.1客观世界的认识程度,1.1.2纳米技术的定义及其特征,1.1.3纳米科技的分类,1.1.4纳米研究的主要手段,1.1.5纳米科技的基础-纳米材料,1.1.6纳米材料的主要应用领域,1.1.4纳米研究的主要手段,由IBM公司的Binnig和Rohrer发明，被公认为是20世纪80年代世界十大科技成就之一，并因此获得诺贝尔物理奖。在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿于纳米技术几乎所有的分支领域，以其为分析和加工手段所做的工作占一半以上。应用STM首次实现了惰性气体氙的原子在金属表面的自由移动。在液氦冷却的超低温和超高真空条件下，装置本身带来的不稳定因素（如热漂动、噪声等）基本消除，探针末端与观察物体分子或原子之间的距离可以得到精确控制。,扫描隧道显微镜（STM）(ScanningTunnelingMicroscope),扫描隧道显微镜的基本原理图,基本原理：STM带有一极细的探针，在样品和针尖之间施加一定的电压，当两者之间的距离小于一定值时，将产生隧道电流。,-一种基于电子隧道效应的新型高分辨率显微镜,扫描隧道显微镜(STM),图隧道电流,隧道电流对样品表面的微观起伏特别敏感，当样品和针尖间距离减少0.1nm时，电流将增加近一个数量级。因此，当针尖扫过样品表面时，根据隧道电流的变化，即可得到样品的表面状态。,STM探针的运动由压电陶瓷驱动控制系统来控制。当针尖与样品表面之间的距离达到0.6nm1nm时，两者之间将形成电子隧道，在偏置电压作用下形成隧道电流。,STM的工作原理图,在STM探针和样品表面之间施加一个偏压Vb，当尖细的针尖接近样品表面(通常小于1nm)时，针尖和样品表面之间会产生克服间隙势垒的隧道电流。当距离S改变0.1nm时，隧道电流的变化相差7.4倍（约一个数量级）。探针可以通过压电陶瓷驱动器驱动，使其在X、Y、Z三个方向移动。当探针沿、扫描时，探针与样品表面之间的距离由向的压电陶瓷驱动器及其反馈电路来控制调节，可使隧道电流的值保持恒定或者控制其高度不变，即实现恒流方式测量或恒高方式测量。这样当探针横向扫描被测样品表面时，其表面形貌的变化即可通过向压电陶瓷驱动器的电压变化或隧道电流的变化反应出来。,STM的测试原理：,低温（4.2K）条件下用STM移动吸附在Cu(111)表面上的Fe原子48个Fe原子排列成一圆形量子栅栏，它的直径只有4.26nm，其内部构造还表示着量子栅栏内部电子密度的分布。,原子力显微镜(AFM)(AtomicForceMicroscope),AFM是可以检测极其微小的力的装置，广泛用于对物质表面进行纳米水平的检测，尤其适合绝缘体材料和大气环境。当针尖与被观测物质的距离接近至数纳米时，原子之间的力就开始发生作用。因电介质极化而产生的范德华力的大小与原子之间距离的六次方成反比，当原子间电子的授受导致形成某种化学键时，就会在更近的距离产生更强的作用力，而位能变小。当进一步接触时，原子之间就会产生强烈的反作用力。接触式和非接触式AFM的测定方法分别是利用原子间的反作用力和引力来测定的。,原子力显微镜AFM,原子力显微镜的示意图,与STM的不同：用微悬臂针尖代替了隧道针尖。,原子力显微镜原理图,原子力显微镜导电针尖在硅表面刻写所形成的文字图案,针尖的作用力的种类有：界面的毛细力原子间的范德华力化学键,Multipass10cycles,1N,ScratchMatrix,ControlledWear,在接触范围内检测出力的例子：根据摩擦力的不同来检测不同的化学性质。,NanoScratching:MagneticHardDisk,在非接触范围内检测出力的例子：强电介质表面的局部极化状态的观察。,单个原子提取的各种可能的机理（a）在强电场的作用下键断裂，自由原子通过表面扩散到达一新的位置；（b）自由原子与针尖原子相碰撞而被散射到一新的位置；（c）自由原子先吸附在针尖上，然后在某种条件下离开针尖，重新回到样品表面。,在铜Cu（111）表面上一个接一个地移动C60分子制成世界上最小的算盘,用101个铁原子写下的迄今为止最小的汉字,纳米科技的主要研究领域,纳米材料（纳米颗粒和纳米结构材料）纳米装置和器件纳米尺度的检测与表征,其中，纳米材料是纳米科技的基础。,当物质颗粒小到纳米量级（100nm以下)时，这种物质被称为纳米材料。,1.1.5纳米科技的基础纳米材料,纳米材料也是纳米材料学的主要内容。,纳米材料的两个必备条件是什么？,纳米尺度新物性,什么是纳米材料？,材料发展的意义：自古以来，材料的发展水平就是人类社会文明程度的标志，当时的代表性材料是人类文明史划分依据。,材料的发展与人类社会,纳米材料的使用亦古已有之：,中国古代字画之所以历经千年而不褪色，是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。中国古代铜镜表面的防锈层被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。古代玛雅蓝漆是金属镁的纳米颗粒和针状的坡缕石晶体超晶格（平均粒径1-4nm)的混合材料，有优异的抗酸性、抗生物腐蚀性。鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂、趋磁细菌等生物体中存在纳米级的超微磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。,世纪年代开始，全球掀起了纳米材料研究热，因为：,作为极具市场潜力和发展前景的新材料，由于纳米材料在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料所不具有的特征，在磁性材料、电子材料、光学材料和陶瓷增韧等领域有广阔的应用前景，纳米材料和纳米技术受到世界各国的普遍关注。,纳米材料的主要性能和用途,新产品的创新是未来对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，材料的创新以及在此基础上衍生的新技术，将起重要的作用。,21世纪，信息、生物技术、能源