纳米功能材料与器件概论课件

功能纳米材料和器件1。纳米材料与器件导论、大纲、课程安排、纳米科学与技术导论、纳米技术导论、纳米材料研究现状、纳米材料的科学研究典型：碳纳米管、课堂：黄金大厦329日期：第10-15周共6天：周一第4节(第2节)课件电子邮件：ustb_gu，1。课程安排。通过本课程的学习，我们可以了解功能纳米材料和器件的基本理论和技术。本课程的目的是掌握该领域的研究现状，为开展相关科学研究打下基础。理解和掌握与功能纳米材料和器件研究相关的专业知识和技能；功能纳米材料及器件简介纳米材料及器件制备方法纳米材料及器件表征技术磁性纳米材料及器件纳米材料半导体量子点材料绿色光源材料氧化锌纳米材料及器件研究，课程大纲，穆继梅，纳米材料和纳米结构，2002，科学出版社，纳米材料表征技术，化学工业出版社郭子正，石东禄，纳米材料和器件导论第二版，清华大学出版社，2010曹，纳米结构和纳米材料：合成、性能及应用第二版，2012，高等教育出版社张越，2010Koch，一维氧化锌纳米材料，NoyesPublications，书目，纳米科学预测1959。著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼预言：“毫无疑问，当我们能够操纵小规模的事物时，我们将极大地扩展可能的物理性质的范围。”如果“有一天，人们可以在针尖大小的空间里储存百科全书并移动原子，这将给科学带来什么？”IBM首席科学家阿姆斯特朗在1991年预测道：“我相信纳米技术将在信息时代的下一个阶段占据中心位置，并发挥革命性的作用，就像微米技术自20世纪70年代初以来所发挥的作用一样。上述预测指出了纳米系统的地位和作用，并展望了纳米科学技术的发展方向。纳米科技导论人类对客观世界有了更深的了解，从肉眼可以直接看到的事物开始，然后深入人类，从宏观领域进入原子电子学领域。在过去的20年里，人们对介观连续介质尺度和原子尺度的介观场表现出极大的兴趣。当一个物体的尺度在纳米级范围内时，许多奇怪的和全新的物理性质就出现了。在介观范围内，以相干量子输运为主导的介观物理应运而生，并成为凝聚态物理的热点。广义地说，任何具有量子相干现象的体系统都称为介观系统，包括团簇系统、纳米系统和亚微米系统。如果我们分离纳米系统，我们将有纳米系统。纳米系统，通常被定义为l 100nm纳米的范围，是精细尺度事物的主导作用。纳米科学是一门交叉学科，包含许多学科，它的起源可以分为：(1)纳米物理学；(2)纳米化学；(3)纳米材料学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学；(6)纳米加工；(7)纳米力学，纳米科学的学科组成，纳米科学技术是20世纪80年代末刚刚诞生并正在兴起的一门新科学技术。这是一门研究由1 100纳米大小的物质组成的系统的运动规律和相互作用以及实际应用中可能出现的技术问题的科学和技术。在纳米系统中，电子波函数的相关长度相当于系统的特征尺寸。此时，电子不能被视为在外场中运动的经典粒子，而电子的波动性在输运过程中得到了充分的证明。纳米系统的尺寸限制也使得固体中的电子态、元激发和各种相互作用过程表现出与三维系统截然不同的性质，如量子化效应、非局域量子相干、量子涨落和混沌、多体关联效应和非线性效应等。对这些新的物理性质的研究使人们不得不重新理解和定义现有的物理理论和定律，这必将导致新概念的引入和新定律的建立，如能带、费米能级和纳米尺度的功函数。纳米科学的特点，在纳米化学中，研究表面的化学过程，如原子簇化合物对吸附质/载体系统的电子性质和对基底表面结构的影响；在纳米生物学中，除了细胞、膜、蛋白质和DNA的微观研究外，还应解决人工分子剪裁和分子基因及物种重组问题。在纳米电子学中，电阻的概念不是欧姆定律，而是量子电导。在纳米力学中，弹性模量、弹性系数、摩擦和粗糙概念等力学性质也发生了质的变化。作为纳米科学的一个重要领域，纳米加工科学还将进行原子操作和纳米尺度加工，以及纳米器件的加工和组装，并进一步研究器件的特性和运行机制。纳米科学的特征(续)。(1)原子操纵美国商业机器公司(IBM)的两位科学家利用扫描隧道电子显微镜(STM)直接操纵原子，并根据他们自己的意愿成功地将原子排列成“IBM”一词在镍基底上；中国科学院用扫描隧道显微镜成功地操纵了原子，并在硅衬底上写下了“中国”字样。日本科学家已经成功地将硅原子堆积成“金字塔”，并首次实现了原子的三维重定位。(2)德国萨尔大学的格莱德和美国氩国家实验室的西格尔成功地研究了纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，显示出良好的室温韧性。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略性途径。纳米材料在光吸收、催化、灵敏度和磁性等方面明显不同于类似的传统材料，在高科技应用中显示出广阔的应用前景。纳米科学、硅原子、纳米算盘(C60)的重要成就和进展，(3)纳米生物学在纳米尺度上认识到生物大分子的精细结构及其与功能的关系，并在此基础上按照自己的意愿切割和嫁接，制造出具有特殊功能的生物大分子，将生命科学的研究推向了一个新的水平。纳米技术使得基因工程更加可控。人们可以根据自己的需要制造各种生物“产品”。(4)纳米生物机械的发展和部分纳米生物部件通过原子和分子直接组装成纳米机械。纳米生物“成分”与纳米无机化合物和晶体结构“成分”的结合使用纳米微电子学来控制纳米机器人的形成，其尺寸相当于细胞的尺寸，这可能导致医学技术的突破。医生可以使用纳米机器人直接打开脑血栓和清除心脏动脉中的脂肪沉积，也可以将多功能纳米机器人注射到血管中进行全身检查和治疗。药物也可以制成纳米大小，可以直接注射到病变部位，大大提高医疗效果，减少副作用。纳米科学的重要成就和进展(续)。2.介绍纳米材料、各种尺寸的物体、半导体工业中的纳米技术大规模集成电路、存储器和由中央处理器处理的32-20纳米量级的硅的超微型集成电路。纳米尺度的概念是指在三维空间中至少有一个维度在纳米尺度范围内的材料，或者由它们组成的基本单元。根据维度，纳米材料的基本单位可以分为三类：(一)零维，指空间的三维维度都在纳米尺度，如纳米尺度的粒子、原子簇等。(ii)-尺寸是指纳米尺度的二维空间，例如纳米线、纳米带、纳米棒、纳米管等。(三)二维是指三维空间中的一维纳米尺度，如纳米薄膜、多层薄膜、超晶格等。什么是纳米材料？纳米材料模型和物理照片，根据材料性能分：纳米电子材料：电子器件(场效应晶体管，二极管)纳米光电材料：光电器件(发光二极管，激光)纳米磁性材料：高密度记录介质，自旋阀纳米力电子材料：发电机，传感器件根据应用方向，可分为：纳米光催化材料：二氧化钛，氧化锌纳米能量材料：储能材料，燃料电池，染料敏化电池纳米材料：传感器件等.功能性纳米材料的分类，自然界中有大量的纳米材料：天体的陨石碎片、人类和动物的牙齿；海洋是巨大超细粒子的聚集地。蜜蜂体内有磁性纳米粒子，其浓度约为106-107 /ml，可用于控制蜜蜂的活动。大型海龟使用磁性纳米粒子导航。具有数万公里旅行实用价值的纳米材料主要是人工合成的：最早的人工纳米材料可能是1000多年前中国用蜡烛作为墨水原料和着色染料收集的炭黑；经检验，我国古代铜镜表面的防锈层是由纳米氧化锡颗粒组成的薄膜。1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始研究直径为1微米的粒子系统，即所谓的胶体。天然纳米材料和早期纳米材料。1962年，kubo和他的合作者提出了著名的Kubo理论，即超细粒子的量子限制理论或量子限制理论，旨在研究金属超细粒子，从而推动实验物理学家探索纳米尺度粒子。1963年，Uyeda和他的合作者使用了气体冷凝法。通过在高纯惰性气体中蒸发和冷凝，获得了表面洁净的超细颗粒，并通过透射电镜研究了单个金属超细颗粒的形貌和晶体结构。1970年，考虑到量子相干区的规模，川崎和朱首次提出了半导体超晶格的概念。这是一种将一定厚度的纳米薄层按照一定的规则手工堆积起来的结构。然后，使用分子束外延技术。张黎刚和姜奇等人已经制备了具有不同能隙尺寸的半导体多层膜。量子阱和超晶格已经在实验中实现，并且观察到极其丰富的物理效应。量子阱和超晶格的研究已经成为半导体物理学中最热门的领域。从20世纪70年代末到80年代初，纳米材料的发展历史对一些纳米粒子的结构、形态和特性进行了系统的研究。描述金属粒子费米表面附近电子能级状态的库伯理论日益完善，并成功地解释了具有量子尺寸效应的超细粒子的一些特性。1984年，德国萨尔大学的格雷特教授等人首先用惰性气体凝聚法制备了表面洁净的纳米粒子，然后在真空室内原位压制成纳米固体，提出了纳米材料的界面结构模型。随后，人们发现CaF2纳米离子晶体和TiCb纳米陶瓷在室温下表现出良好的韧性，这使得人们看到了一种新的增韧陶瓷的战略途径。纳米材料的发展史(2)。1985年，Kroto等人用激光加热石墨，使其在甲苯中蒸发并形成碳团。质谱分析发现C60和C70有新的谱线，而C60具有高稳定性的新结构，即由60个碳原子组成的封闭足球型，由32个面组成，包括20个六边形和12个五边形。Hebard等人首次发现了Tc=18K的超导体；随后，改变掺杂元素以获得具有33的更高Tc -Cs2RbC60的超导体。这些结果表明掺杂C60的Tc仅次于氧化铜超导体。同时，C60固体在低温下也表现出铁磁性。纳米材料发展的历史(3)。1990年7月，第一届国际纳米科技大会在美国巴尔的摩召开，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。这标志着纳米材料科学作为一门相对独立的学科的诞生。自此，纳米材料引起了世界各国材料界和物理学界的极大兴趣和广泛关注，一场全球性的“纳米热”即将形成。同年，纳米粒子硅和多孔硅在室温下的光致发光被发现。纳米材料工程是1994年在美国波士顿举行的MRS秋季会议上正式提出的。这是纳米材料研究的一个新领域。它是在纳米材料研究的基础上，通过纳米合成和纳米添加开发新的纳米材料，通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围。基础研究和应用研究并行发展的新局面已经开始形成。纳米材料的发展史(4)。第一阶段主要是探索在实验室通过各种手段制备各种形状的纳米材料，研究纳米材料的生长机理，实现各种结构纳米材料的可控批量生长。第二阶段主要关注如何调控纳米材料特有的物理、化学和机械性能，并根据性能应用的需要进行性能化。出于各种目的设计纳米材料，在这一阶段控制和优化纳米材料的物理性质已经成为纳米材料研究的主导方向。纳米材料发展的四个阶段，第三阶段的主要研究重点是组装具有特定功能的纳米器件和纳米系统。其基本内涵是以纳米材料为基本单元，构建具有纳米结构的器件以实现特定功能，然后由纳米器件形成纳米体系。第四阶段：研究目标是纳米材料和器件的实际应用，包括纳米材料的低成本和大规模生产以及纳米材料和器件的实际应用技术。这一阶段研究的特点应强调根据人们的意愿设计、组装和创造新系统，并以实际应用为目标，实现纳米科学研究的价值。这一阶段的主要特点是与工业水平密切相关。，纳米材料发展的四个阶段(续)，机械法、物理法、化学法、气相法、液相法和固相法按晶体生长机理分类，纳米材料测量技术尺度测量、性能测量、纳米材料制备技术、纳米加工和组装技术刻蚀、操纵、组装，4。纳米技术介绍、人工纳米结构组装系统、纳米结构自组装系统、逻辑电路(科学，294，1313(2001)、高性能场效应晶体管(自然，441，489(2006)、纳米光波导器件(科学，426，816(2003)、纳米酸碱度计(科学，293，1289(2001)、准一维纳米材料构建的器件和纳米发生器(科学，312，科研机构纳米材料研究现状：纳米材料研究中心国家纳米材料研究重点实验室；中国科学院高等院校研究团队经费投入：科技部基础研究重大项目(973)；科技高技术项目重大项目(863)；自然科学基金重大项目；地方投资企业重点项目和地方项目研究基金；纳米材料研究在科学研究中的地位；国际学术会议：大量专业国际学术会议美国、欧洲等国家和地区每年都举办许多关于纳米技术的专业学术会议。中国、日本、韩国和中国也举办了几次关于纳米技术的学术会议：在中国纳米技术的传统学术会议中，有材料学会、物理学会、化学学会、纳米科技网站和纳米科技网站的年度会议。纳米尺度。JACS(美国化学学会)物理化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化学会化