纳米技术进展

1、纳米技术进展摘要:简要介绍了纳米、纳米结构、纳米材料、纳米装置和纳米技术的概念,综述了近年来 几种主要纳米技术包括 STM 、 AFM 、自组装、微浮液、声化学、模板、原位生成、力化学 粉碎、溶胶凝胶等技术的研究进展,介绍了纳米技术的应用。关键词:纳米结构,纳米技术,制备,应用技术决定材料及由材料形成的器件、 装置的性能和功能, 巨大地推动着人类社会的发展。 20世纪 60年代, 人们发现处于纳米介观领域的物质具有明显不同于块状固体的物理和化学 性能,呈现出量子尺寸效应、表面效应等,引起了科学家们对纳米世界的极大关注。到 20世纪 90年代,随着纳米研究的深入,有序纳米结构的形成和控制已成为科

2、学领域内的研究 热点。 人们逐渐认识到从分子层次到纳米、 微米、 宏观固体层层高度有序的结构, 其中纳米 结构, 承上启下, 最为关键。 纳米技术由于贯穿各个领域, 并对旧的传统技术带来根本性的 变化,被称之为一场即将来临的技术革命13。1纳米物质世界按照尺度规模可以划分为多个层次, 人类的知识和技术已经广泛地深入到宏观 的天体和微观的粒子层次。 然而, 对处于分子、 原子和宏观材料的中间过渡区域 (1100nm 的关注却是在 20世纪 60年代。 随后, 人们逐步认识到处于这一过渡区域的物质具有明显不 同于宏观材料的原子、 分子的物理和化学特性, 其凝聚态结构特征对由其组成的宏观材料的 光、

3、电、磁、热、力学性能等有着巨大的影响。另一方面, 20世纪 70年代在微电子技术领域兴起的微加工技术到 20世纪 90年代面临 着巨大困难, 人们发现, 旧的技术很难再深入到更小的纳米层次, 使计算机的进一步缩微化 出现困难。 解决这个难题的思路只有从更小的单元即分子或原子出发, 通过某种途径形成具 有特定功能的纳米尺度有序体。 1959年 Feynman.R 即提出了按照人的意愿对分子或原子的 结构进行设计, 构成纳米结构单元的天才设想。 这种微小的纳米结构单元足以完成某一方面 的功能, 如 Xn 原子开关, 并可按某种科学的排列方式, 构成一个处理系统, 完成多种功能。 2纳米结构纳米结构

4、可以定义为:至少一维的尺寸在 1100nm区域内的结构1。纳米结构包括 纳米粒子,纳米层,纳米管,纳米棒、纳米须,纳米晶,纳米非晶,纳米簇,纳米机器,纳 米装置等。 人们通常也将这些纳米结构形象地称之为纳米构筑单元, 如果这些构筑单元具有 某一方面的特定功能, 也称之为纳米功能单元。 人们可以按照宏观世界的思维方式来想象纳 米结构, 比如纳米构筑单元可以理解为构筑大厦的一块砖快。 然而, 其行为特征却不能按照 经典的思维方式去理解。3纳米材料和纳米装置纳米材料指的是纳米结构按一定方式堆积或在一定基体中分散形成的宏观材料, 包括纳 米块体材料和纳米复合材料。 从物质的类别来分, 又可分为金属纳米

5、材料、 无机氧化物纳米 材料、 无机半导体纳米材料和有机小分子和聚合物纳米材料。 纳米复合材料从复合的维度来 分,又分为 0-1, 0-2, 0-3, 1-1, 1-2,等型复合材料。从物质的类别又分为无机 /无机纳 米复合材料、有机 /无机纳米复合材料、聚合物 /聚合物纳米复合材料。纳米装置指纳米结构 在一定空间范围内排列组成并能完成某一功能的装置。 例如纳米芯片、 纳米计算机、 纳米机 器人等。4纳米技术纳米的研究范围涉及非常广泛, 因而纳米技术种类繁多, 纳米技术的定义也随国家和研 究者而已。 我们认为, 纳米技术是指形成纳米材料和纳米装置的技术, 包括形成纳米构筑单 元和纳米构筑单元按

6、一定方式组成宏观纳米材料的技术, 如分散技术、 成型加工技术等。 纳米技术可分为两个层次:第一层次为分子(原子纳米技术则是指从分子(原子出发,使 分子 (原子 在纳米尺度空间范围内成有序的重复排列进而形成内部有序的纳米结构的技术。 STM 、 AFM ,自组装和生物矿化就是这种技术。将能控制纳米结构的形态和均匀性的技术 成为第二层次纳米技术。 用一个确切的名词来定义它十分困难。 如溶胶凝胶, 微乳液等未 注意到分子本身在纳米尺度的构筑单元内的有序排列, 只是形成具有一定规则的纳米结构形 态。 将能形成纳米尺度的结构, 但却不能控制纳米结构内分子或原子的有序度, 也不能控制 纳米结构本身的形态和

7、均匀性的纳米技术成为第三层次的纳米技术。每种纳米技术都有其优缺点,例如, STM 、 AFM 纳米技术能够实现纳米结构内分子的 有序排列, 但目前造价较高, 且费时。 通过化学的或生物的自组装比较便宜, 但它局限于一 些特殊的分子。粉碎法虽然比较原始,形成的纳米结构形态和均匀度比较复杂,但产量大, 过程简单。5纳米技术的重大意义纳米技术正在全世界范围内掀起热潮, 并被称之为一场正在来临的技术革命, 其原因有 以下几个方面。5.1纳米技术可形成在纳米尺度或分子尺度内结构有序的高性能材料和多功能器件和装置 材料的性能、 功能与有序的结构之间有着巨大的联系。 例如, 人们以往用玻璃纤维增加 环氧树脂

8、基体取代笨重的金属材料, 广泛用于宇航业。 今天, 人们正在试图用纳米管取代直 径为微米级的玻璃纤维, 提高其力学强度和热性能, 并大大改善加工性4。 纳米晶的铜比 通常的微米晶铜硬 5倍 5, 中科院金属所卢柯首次发现纳米晶铜的超塑性 6。 生物界广 泛存在着序纳米结构导致高性能、 多功能的例子。 鲍的珍珠曾是一种自然界存在的纳米复合 材料,仅含 1%的聚合物组成比其本身组分硬 2倍,韧性则提高 1000倍7。骨骼、牙齿 也是一种自然界存在的纳米复合材料,其主要成分为羟基磷灰石(Ca10(PO4(OH2和胶 原纤维。 这两种物质的性能并不高, 人们很少用这两种物质来作结构材料。 然而当通过分

9、子 组装成骨骼时, 却具有相当高的韧性和强度 5。 树是有大量的具有一定功能的纳米装置组 成,其完成的功能更为巨大,且形成条件温和,无污染4。此外,正如前面指出的,纳米 技术可形成纳米尺度的功能化结构,微电子产品的缩微化和微加工提供了一条崭新的思路。 5.2量子尺寸效应当晶体的尺寸很小, 与电子或空穴的德布罗意波长相当时, 载流子 (主要指电子或空穴 的运动被局限在一个小的晶格范围内,类似于盒子中的粒子,这是一种新的物质运动状态, 它既有别于块状固体中大晶体内电子的运动状态, 又有别于分子、 原子的运动状态8。 相 对于块状固体中大晶体内电子, 在这种局限运动状态下, 电子的动能增加, 原本连

10、续的导带 和价带发生能级分裂, 禁带宽度随粒子尺寸的减小而增加, 其宏观的表现为紫外吸收光谱蓝 移, 人们将这种效应称为量子尺寸效应或量子限域效应, 量子尺寸效应是对金属和半导体纳 米微粒而言的。5.3表面效应物质的物理性质和化学性质原本主要由粒子内部原子的性质所决定, 但随着粒子尺寸的 减小,粒子的比表面积显著增加,处于表面状态的原子(对于晶格而言是晶格边缘的原子 与粒子内部的原子可相比拟, 因而物质的物理性质和化学性质变为主要由粒子表面原子的性 质和表面的缺陷结构所决定8。例如,当陶瓷由纳米晶粒子组成时,其韧性大大提高。 6纳米技术的历史晶 TiO2组成的块体材料。 19881990年,

11、Lehn 等创立了超分子化学,阐明了微小结构组装 的可能性9。 1990年, IBM 的隧道扫描显微镜(STM ,科学家用氙原子写下了“ IBM ” 3个字母 10。 在 IBM 取得突破的一年内, 日立中心实验室的 Hosoki 和其合作者通过 STM 出去单个 S 原子在 MoS2表面写下了“ NANO SPACE”字母。这些字母仅有 2nm 高11。 1990年以后,人们认识到“ All things NANO” ,纳米研究在全球掀起热潮,并涌现了大量的 纳米技术,这段时期被称为“ nanomania ” 12, 特别地,自然界的配方,自然界的方法正 在被合成化学家们模仿。7几种比较前沿

12、的纳米技术7.1STM 、 AFM 基的纳米技术即通过先进的物理工具 STM 、 AFM 操纵原子,得到有序的纳米结构的技术13。 7.2分子自组装的纳米技术7.3微乳液技术微乳液是一种热力学稳定的分散体系, 分为两类, 一类是正相微乳液, 即水包油; 另一 类是反相的微乳液即油包水。 正相微乳液可用来制备聚合物纳米粒子, 如聚甲基两烯酸甲酯 PMMA 、 聚苯乙烯 PSt 等聚合物。 反相微乳液可制备金属、 无机纳米粒子和聚合物纳米粒子 2, 可通过调节乳化剂和水的摩尔比即 值来控制粒径的大小。 微乳液获得的粒子一般比 较均匀,且因乳化剂的分散稳定作用阻碍了粒子之间的团聚。7.4声化学技术超

13、声波是频率为 2×104109Hz的声波。液体超声空化是指在超声振动作用下,液体中 空腔的形成、振荡、生长、收缩至崩溃的过程,是集中声场能量并迅即释放的过程。空化泡 崩溃时,极短时间在空化泡周围的极小空间内,产生约 5000K 高温, 108Pa 高压,温度变化 率高达 109K/s, 并伴随强烈的冲击波和时速高达 400km 的射流 26, 这位在一般条件下难 以实现或不可能实现的化学反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境。 超声辐射同时兼 具使固体粒子粉碎、 分散以及产生自由基或其他活性基团引发单体聚合的作用, 已成功地用7.5模极技术采用具有纳米微孔的膜如聚碳酸酯、 Al2O

14、3膜等或无机层状 (层间距为纳米级 的粘土 作为模板,使单体在这些具有纳米尺度的微孔或层间隙内进行聚合,形成纳米聚合物管状、 线状或层状结构的材料 29。 采用这种方法可制备异质介孔阵列纳米相结构30。 插层复 合技术实际上是以层间距离在纳米级的无机粘土为模板, 将聚合物通过原位聚合或熔融共混 等方式引入层间得到插层复合材料的一种技术,目前研究较为活跃31。7.6原位生成技术7.7力化学粉碎技术它是一种“由大到小”的制备纳米粒子的技术1, 2。无机块状固体和有机聚合物可 在高能球磨作用下被粉碎成纳米粒子。 徐僖、 王琪设计的新型磨盘形力化学反应器被用来制 备聚合物纳米粒子,如制备出 80nm

15、左右的尼龙 6纳米粒子33。7.8溶胶-凝胶技术广泛应用于制备无机氧化物纳米粒子如 TiO2、 SiO2等以及聚合物 /无机纳米粒子复合材 料或杂化材料1, 2。近年来溶胶-凝胶法制备聚合物 /无机纳米粒子复合材料引起人们极 大的重视 34。 通常的方法是在有机金属化合物或含 Si 的有机物溶液中引入有机相聚合物, 在适当的条件下 (如水解 形成稳定的溶胶, 然后转化成凝胶, 或在无机物溶胶中加入单体, 在聚合过程中形成凝胶, 通过这一过程使聚合物在纳米水平或分子水平均匀地分散在无机物 形成的网络中。8纳米技术的应用13纳米技术正在材料、 装置和系统的制造和应用领域引起一场广泛的技术革命, 纳

16、米技术 有着广阔的应用前景,各国政府和各大公司已经投入相当大的财力。据统计, 1996年日本 政府和欧洲共同体对纳米技术的研究经费资助分别为 1.2亿美元,美国为 1.16亿美元,而 2000年美国政府将信息技术、生物技术、纳米技术列为美国首要发展的三大技术,并实施 了 NNI 计划, 资助经费将达到约 5亿美元。 而各大公司如 IBM 、 HP 、 DuPont 、 Dow 、 Hitachi 等对纳米技术也投入大量资金。 正是在社会各级部门的推动下, 纳米技术正在形成一股强大 的热潮,部分纳米技术已经得到应用。8.1微电子工业纳米机器可使电子产品缩微化,解决目前微细加工领域不能深入到纳米层

17、次的极限问 题, 纳米技术可使计算机袖珍化, 使今天的笔记本更易携带。 纳米粒子的一个重要应用领域 是传感器如气敏传感器、 湿敏传感器等。 此外, 纳米结构的涂层可用于数据储存和光电绘图, 纳米粒子可用作彩色打印中的着色剂,超晶格的量子限域效应可用于光电装置的激光器件。 用于计算机硬盘磁头的纳米粒子巨磁组 (GMR ,1992年被发现, 1997年被工业化。 现在每年已有 300400亿美元的产值,今天的 IBM 和 HP 生产的硬盘都基于此发现。8.2材料工业纳米技术与新材料密切相关, 纳米技术可使材料的构筑单元在纳米尺度范围内有序, 因 而可发展高强度轻型结构材料和多功能智能材料。 例如,

18、 道尔化学公司发展了一种纳米粒子 增强的聚合物基纳米复合材料,可望取代汽车工业中的金属材料。8.3环境工业纳米技术可用监控和治理环境问题, 减少副产物和污染物的排放, 发展清洁的绿色加工 技术。美孚石油公司发展的有序介孔材料 MCM-1(孔径为 10100nm被广泛应用出去超 细污染物。 纳米尺度的无机粘土取代碳黑用于聚合物的增强, 可制备耐磨的环境友好的轮胎。 纳米机器人可用于环境治理,特别是用于核废料的处理。8.4医学纳米技术广泛地用于医学领域,如磁性纳米粒子可将异常细胞与生物体内正常细胞分 离, 如癌细胞的分离。 采用纳米技术制成的芯片和微小的纳米机器人可进行分子识别, 用于 疾病诊断。此外,聚合物纳米粒子还可用于药物缓释。8.5能源工业纳米技术在能源的有效利用、 储存和制造方面有潜在的应用前景。 Fratzel 等35采用 染料敏化的纳米二氧化钛粒子制备了太阳能光电极,其光电转换效率达到 12%,可取代价 格昂贵的非晶硅光伏电池。 纳米碳管可以用作储氢材料, 制造清洁能源。 此外, 纳米复合材 料的广泛使用可大大减少能源的消耗。8.6军事领域纳米技术在军事领域具有广阔的应用前景, 不仅可制备高强性能的材料, 而且可提供具 有特殊用途的功能材料,如雷达波吸收、微波吸收、远红外吸收、抗电磁干扰、侦察与反侦 察、 隐形