纳米材料和纳米结构第一讲-new

纳米材料和纳米结构,郑州大学2009-2010学年上学期课程,2009级物理工程学院,课件制作：李新建课程讲授：张迎九物理工程学院材料物理教育部重点实验室电话：67766870电子邮件：zhangyj2006办公地址：南校区物理南楼315房间,个人介绍,1、ZhonglinWang(EditorinChief),HandbookofnanophaseandNanostructuredMaterials-Synthesis，Beijing,TsinghuaUniversityPress(March,2003)2、朱静等编著，纳米材料和纳米器件，北京，清华大学出版社（2003年4月）3、J.H.芬德勒（美）著，项金钟，吴兴惠译，纳米粒子与纳米结构薄膜，北京，化学工业出版社（2003年8月）4、张金中，王中林，刘俊，陈少伟，刘刚玉著，曹茂盛，曹传宝译，自组装纳米结构，北京，化学工业出版社（2005年1月）5、G.-M.Chow,N.I.Noskova,NanostructuredMaterials,KluwerAcademicPublishers(1998)6、图书馆可以检索到的所有相关书籍、综述性文献,课程主要参考书,主要内容纳米材料的基本概念纳米材料的主要制备技术纳米材料的结构及其表征技术纳米材料的物理性能纳米材料的应用授课方法：讲述+专题讲座考核方式：开卷考试+考勤,课程的主要内容、授课方法及考核方式,当代纳米科技与纳米材料-内涵、意义与挑战李新建材料物理教育部重点实验室2006年08月30日,关于物理学：一个错误但流行的观念,目前有一个广为流行但是非常错误的观念：那就是认为物理学作为一个有科学意义和价值的研究领域已经大为过时。然而事实是，在物理学领域，亟待我们去忘我探索的科学规律和我们已经探知的科学规律一样多。-JohnMaddox，Nature杂志前主编,材料研究的重要性纳米材料的研究历史纳米材料的科学内涵纳米材料的研究意义纳米材料面临的挑战,报告内容,第一部分材料研究的重要性,材料是现代文明发展的基础和先驱,石器时代（theStoneAge）：石材陶器时代（thePotteryAge）：陶器青铜器时代（theBronzeAge）：青铜工业革命时代（theIndustrialRevolution）：钢铁信息时代（theInformationAge）：硅,主导21世纪科学与技术的四个关键领域,信息科学InformationScience生命科学LifeScience环境科学EnvironmentScience纳米科技Nanoscience磁性产生质变；熔点降低等。具体例子：如金纳米颗粒熔点为600K，而金的体材料熔点为1337K；纳米银的熔点可降低到l00。此特性为粉末冶金工业提供了新上艺。,纳米材料的基本物理特性（2）,2.量子限域效应,各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。由无数的原子构成固体时【原子间距的变短】，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的。能带理论能成功解释金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别。,原子,固体,固体能级填充,原子、大块晶体、和纳米晶的能态,纳米晶,纳米材料的基本物理特性（2）,对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。Kubo早在1962年就从理论上给出了能级间距和金属颗粒直径的关系:当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子限域效应。如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，而半导体纳米体系的发光谱线会产生向短波长方向的移动。,纳米材料的基本物理特性（2）,举例：CdS/硅纳米孔柱阵列,纳米材料的基本物理特性（2）,纳米材料的基本物理特性（3）,3.表面与界面效应,金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体并与气体进行反应。,尺寸小，表面大，活性高。,纳米材料的基本物理特性（4）,4.宏观量子隧道效应,材料中作为基本粒子之一的电子既具有粒子性，又具有波动性，这就是微观粒子的波粒二象性。而量子隧道效应则是所有量子力学体系的基本特性之一。纳米材料是一个典型的量子力学体系。因此，宏观量子隧道效应将会成为未来微电子、光电子器件的基础；同时，它也给出了微电子器件进一步微型化的物理极限。在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就会发生隧道效应而使器件无法正常工作。理论预测表明，经典电路的极限尺寸大概为35nm,而目前大规模集成电路的线宽已经达到70nm。科学家们已经成功研制出的单电子晶体管（量子共振隧穿晶体管）就是利用量子效应制成的新一代器件，并有望成为新一代计算机的基础。,纳米材料的基本物理特性（4）,举例：库伦阻塞效应与单电子器件,(a)-(b)系统能量增加，库伦阻塞效应(c)-(d)系统能量不变，隧穿效应发生,纳米材料的基本物理特性（4）,在两个电极中间的绝缘层的中间再做一个电极II，使之带半个电荷，则两边的电极会各感应出半个符号相反的电荷。如此，可以通过电极II上电压的变化来控制隧穿效应的发生。,纳米材料的基本物理特性（4）,纳米材料的制备技术,纳米材料两个制备理念,从大到小:固体微米颗粒纳米颗粒从小到大:原子团簇纳米颗粒,纳米材料的制备技术（2）,第四部分纳米材料的研究意义,纳米材料是二十一世纪的主导技术,工业革命以来已经历了三次主导技术，引发了三次工业革命,什么是主导技术？,科学革命,技术革命,产业革命,第一次产业革命(1734-1834）,纳米材料是二十一世纪的主导技术,主导技术：蒸汽机科学基础：牛顿力学、热力学、能量转化原理,纳米材料是二十一世纪的主导技术,第二次产业革命（1835-1914）,科学基础：电的发现、电磁场理论主导技术：电气化技术、发电机、电动机、电力传输、无线电通讯,纳米材料是二十一世纪的主导技术,第三次产业革命（1945-2010？）,科学基础：量子理论、能带理论、半导体制备技术、硅平面工艺主导技术：微电子技术、计算机技术,纳米材料是二十一世纪的主导技术,三次产业革命的启示,1、每次产业革命都会造就一、二个新的先进国家；2、主导技术都经历孕育期、生长期、高速发展期、稳定期，主导技术的生命周期约50-60年；3、在主导技术的稳定期都开始蕴育下一个主导技术；4、主导技术都会带动产业革命，先从传统产业改造开始，并逐渐形成新的产业群。,纳米材料是二十一世纪的主导技术,为什么纳米技术会引发新的产业革命,科学基础,中间领域的重大发现,纳米技术的产业革命,科学框架的建立,纳米材料是二十一世纪的主导技术,纳米科学涉及几乎所有关键技术领域,制高点,基础,基础,纳米材料是二十一世纪的主导技术,纳米技术新工业革命的主导技术,20世纪,微米技术是科技发展的制高点,是工业革命的主导技术。,纳米材料是二十一世纪的主导技术,高集成、高空间分辨率，存储密度：1000GB,计算速度提高1001000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低1001000倍,21世纪,DNA芯片,纳米材料是二十一世纪的主导技术,纳米材料是二十一世纪的主导技术,节省能源利用资源优化环境,新工业革命,纳米材料是二十一世纪的主导技术,纳米技术,对关键问题的影响力,推动GDP快速增长,纳米材料是二十一世纪的主导技术,中国占多少份额,市场分析,名人预测,名人预测,第五部分纳米材料面临的挑战,21世纪，高科技产业如信息、生物技术、资源环境、新型能源、宇航、海洋和新材料等领域都面临着新的挑战，纳米技术的切入，使这些高科技领域的发展出现新的机遇，蕴藏着巨大的潜力。,水平和机遇,水平和机遇,能源,提高能量转化效率,太阳能30%电能,氢能源利用,热能提高10%电能,海底天然气利用,水平和机遇,生物、医药,纳米的靶向药物,高效缓释药物,细胞内传感器,生物芯片,纳米生物探测技术,水平和机遇,信息产业,单电子器件,磁电子器件,自旋电子器件,共振隧穿器件,光电子器件,巨磁电阻器件,量子点和分子电子器件,纳米结构器件纳米加工,过滤器截止器谐振器微电容微电极,环境,纳米技术能消除水中小于200纳米和空气中小于20纳米的污染物。,环境探测器,纳米结构反应器,水平和机遇,水平和机遇,新材料,轻质、高强,多功能，智能，自清洁,高聚物和纳米复合物,高表面积多孔材料净化、分离、催化,生物相容、自我调整药物分配器,中国纳米产业的发展目标,全方位向传统产业渗透，调整产品结构，推进传统产业业态