纳米材料技术及其应用

1、The Small World主讲教师：李科敏主讲教师：李科敏2012年年5月月27日日910纳米材料的纳米材料的基本性质基本性质 1 1、 小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量级时，小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量级时，一定条件下导致材料宏观物理、化学性质发生一定条件下导致材料宏观物理、化学性质发生显著地显著地变化。变化。例如，例如，由于比表面积大大增加，使纳米材料具由于比表面积大大增加，使纳米材料具有极强的吸附能力有极强的吸附能力；光吸收显著增强；纳米陶瓷可以光吸收显著增强；纳米陶瓷可以被弯曲，其塑性变形可达被弯曲，其塑性变形可达100%100%；纳米微粒的熔点低；纳米微粒的熔点低于块状金

2、属，如块状金熔点为于块状金属，如块状金熔点为1337K1337K，而，而2nm2nm的金的金微粒的熔点只有微粒的熔点只有600K600K。“小尺寸效应小尺寸效应”举例举例特殊的光学性质特殊的光学性质：所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，黄金（色愈黑，黄金（AuAu）变成黑金，变成黑金，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。成铬黑。特殊的电学性质特殊的电学性质：介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特

3、性同常规的半导体材料有和的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有和很大的不同。很大的不同。特殊的磁性特殊的磁性：小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为矫顽力约为80A/m80A/m，而当颗粒尺寸见效到，而当颗粒尺寸见效到20nm20nm以下时，其矫顽力可增加以下时，其矫顽力可增加10001000倍，若进一步见效其尺寸，大约小于倍，若进一步见效其尺寸，大约小于6nm6nm时，其矫顽力反而降低到时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性零，表现出所谓超顺磁性。 “小尺寸效应小尺寸效应”举例举例特殊的热学

4、性质特殊的热学性质：当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的衡相的关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm10nm时尤为显著。时尤为显著。特殊的力学性质特殊的力学性质：如：如纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子

5、的排列因为纳米微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗摔不碎的陶瓷碗”。纳米材料的纳米材料的基本性质基本性质 2 2、 表面效应：表面效应：物质的尺寸减小到纳米级时，将引物质的尺寸减小到纳米级时，将引起物质表面原子数、表面积、表面能的迅速增加，从起物质表面原子数、表面积、表面能的迅速增加，从而引起

6、物质的化学活性、物理性质（光热电磁力）的而引起物质的化学活性、物理性质（光热电磁力）的明显变化。明显变化。例如，例如，5nm5nm的粒子，表面原子占的粒子，表面原子占50%50%；而而2nm2nm的粒子，表面原子占的粒子，表面原子占80%80%。 表面原子增加，表面原子增加，因其周围缺少相邻的原子而有因其周围缺少相邻的原子而有许多悬空不饱和键，这许多悬空不饱和键，这使使纳米材料的纳米材料的表面能增高，表面能增高，从从而而大大增强了纳米粒子的化学活性，使其在催化、吸大大增强了纳米粒子的化学活性，使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性。附等方面具有常规材料无法比拟的优越性。纳米材料的纳

7、米材料的基本性质基本性质 3 3、 量子尺寸效应：随着粒子由宏观尺寸进入纳米量子尺寸效应：随着粒子由宏观尺寸进入纳米范围，准连续能带将分裂为分立的能级，能级间的距范围，准连续能带将分裂为分立的能级，能级间的距离随粒子尺寸减小而增大，这种能级能隙变宽的现象离随粒子尺寸减小而增大，这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。这种量子尺寸效应导致纳米粒子称为量子尺寸效应。这种量子尺寸效应导致纳米粒子具有与宏观物质截然不同的反常特性。具有与宏观物质截然不同的反常特性。（禁带加宽）（禁带加宽） 例如，粒径为例如，粒径为20nm20nm的银微粒在温度为的银微粒在温度为1K1K时出时出现由导体变为绝缘体的现象。

8、现由导体变为绝缘体的现象。纳米材料的纳米材料的基本性质基本性质 4 4、 宏观宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，近年来，人们发现一些宏观量，如如 纳米粒子的磁化强度纳米粒子的磁化强度、量子相干器件中的磁量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，垒而产生变化，这这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。扫描隧道显微镜的基本原理就是基于量子隧道效应。扫描隧道显微镜的基本原理就是基于量子隧道

9、效应应. . 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应和和量子尺寸效应将会是未来微量子尺寸效应将会是未来微电子、光电子器件的基础电子、光电子器件的基础。它们确定了微电子器件进。它们确定了微电子器件进一步微型化的极限一步微型化的极限。纳米材料的纳米材料的基本性质基本性质 5 5、 库仑阻塞库仑阻塞效应：效应：当微粒的尺寸达到纳米级时，当微粒的尺寸达到纳米级时，这个体系的充电和放点是不连续（量子化）的这个体系的充电和放点是不连续（量子化）的 。即即电流随电压不再成线性增加而是阶梯式增加。此时充电流随电压不再成线性增加而是阶梯式增加。此时充入一个电子所需的能量成为库仑阻塞能，它是电子进入一个电子所需的能量成

10、为库仑阻塞能，它是电子进入和离开体系时前一个电子对后一个电子的库仑排斥入和离开体系时前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，所以，对一个纳米体系的充放电过程中，电子不能，所以，对一个纳米体系的充放电过程中，电子不能连续的集体传输，而是一个个单电子的传输，这种能连续的集体传输，而是一个个单电子的传输，这种纳米体系中电子的单个输运现象叫做库仑阻塞纳米体系中电子的单个输运现象叫做库仑阻塞效应效应。1 1、碳纳米管可以因碳管、碳纳米管可以因碳管的直径和其中石墨层的的直径和其中石墨层的卷曲方式不同而呈现很卷曲方式不同而呈现很好的金属导电性或半导好的金属导电性或半导体性。体性。2 2、碳纳米管具有良好的、碳纳

11、米管具有良好的微波吸收性能和抗氧化微波吸收性能和抗氧化性，可用作空中飞行器性，可用作空中飞行器的隐形材料。的隐形材料。3 3、碳纳米管具有很高的、碳纳米管具有很高的比面积，可用于催化剂比面积，可用于催化剂的载体。的载体。 纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用 1 1、纳米材料技术将使电子元件更小、更快、更低能、纳米材料技术将使电子元件更小、更快、更低能耗，可以制造出存贮密度和运算速度比现在大耗，可以制造出存贮密度和运算速度比现在大3 3至至6 6个数量级的全频道通讯工程和计算机器件。个数量级的全频道通讯工程和计算机器件。2 2、纳米信息材料主要包括以下三大类型：、纳米信息材

12、料主要包括以下三大类型：（1 1）纳米电子材料（单电子晶体管、单电子存储器、）纳米电子材料（单电子晶体管、单电子存储器、纳米芯片、纳米电脑）。纳米芯片、纳米电脑）。（2 2）纳米光学材料（光子晶体、光子储存器、光电）纳米光学材料（光子晶体、光子储存器、光电脑）。脑）。（3 3）纳米磁性材料（巨磁阻材料、磁记录材料）。）纳米磁性材料（巨磁阻材料、磁记录材料）。 纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用3 3、纳米电子材料：、纳米电子材料：（1 1）单电子晶体管：该晶体若为金属一般为）单电子晶体管：该晶体若为金属一般为几个纳米，若为半导体一般为几十个纳米，它几个纳米，若为半导体一般

13、为几十个纳米，它们充放电时，表现出电荷传输的量子化行为，们充放电时，表现出电荷传输的量子化行为，即电子不能集体传输，而是一个一个的单电子即电子不能集体传输，而是一个一个的单电子传输（库仑阻塞效应）。传输（库仑阻塞效应）。纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用3 3、纳米电子材料：、纳米电子材料：（2 2）单电子存储器：利用库仑阻塞效应）单电子存储器：利用库仑阻塞效应和库仑振荡可以控制纳米颗粒中单电子的和库仑振荡可以控制纳米颗粒中单电子的迁移和驻留，因此，可以库仑阻塞效应来迁移和驻留，因此，可以库仑阻塞效应来存储二进制信息。可见，单电子存储器很存储二进制信息。可见，单电子存储器

14、很适合用作高密度储存器。适合用作高密度储存器。纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用3 3、纳米电子材料：、纳米电子材料：（3 3）纳米芯片：芯片即集成电路块，随着集成电路）纳米芯片：芯片即集成电路块，随着集成电路集成度的不断提高，芯片中集成电路的条宽已经小到集成度的不断提高，芯片中集成电路的条宽已经小到0.30.3微米以下，若再缩小，将受到一系列物理原理微米以下，若再缩小，将受到一系列物理原理（量子效应等）的限制。为了使电脑更加智能化、人（量子效应等）的限制。为了使电脑更加智能化、人性化，需要进一步提高芯片的集成度，这就必须突破性化，需要进一步提高芯片的集成度，这就必须突破

15、芯片原有的设计原理，向纳米芯片进军。芯片原有的设计原理，向纳米芯片进军。纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用3 3、纳米电子材料：、纳米电子材料：（4 4）纳米电脑：主要有量子计算机、超导电脑、化）纳米电脑：主要有量子计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑、神经电脑。学电脑、生物电脑、神经电脑。 (i) (i)量子计算机使用量子信息原理制作的，它具有体积量子计算机使用量子信息原理制作的，它具有体积和功耗很小、运行速度奇快（采用量子并行计算）、和功耗很小、运行速度奇快（采用量子并行计算）、存储能力大大提高、可破译加密能力超凡等特性。存储能力大大提高、可破译加密能力超凡等特性。纳

16、米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用（4 4）纳米电脑：）纳米电脑： (ii) (ii)超导电脑（日本电气研究所已制成）：利用超导超导电脑（日本电气研究所已制成）：利用超导隧道效应原理制成，它的耗电量只有传统电脑的几千隧道效应原理制成，它的耗电量只有传统电脑的几千分之一，而且比传统电脑快分之一，而且比传统电脑快1010倍。倍。(iii)(iii)化学电脑：采用碳基化学制品代替电子部件，它化学电脑：采用碳基化学制品代替电子部件，它是同时解决多个问题的。是同时解决多个问题的。 纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用（4 4）纳米电脑：）纳米电脑： (iv) (i

17、v)生物电脑：利用蛋白质分子的开关作用制成生物生物电脑：利用蛋白质分子的开关作用制成生物芯片，生物芯片传递信息时阻抗小、能耗低，而且具芯片，生物芯片传递信息时阻抗小、能耗低，而且具有生物自我组织和自我修复的功能。若把它植入人脑，有生物自我组织和自我修复的功能。若把它植入人脑，可使盲人复明，使人的记忆力成千上万倍地提高；若可使盲人复明，使人的记忆力成千上万倍地提高；若植入血管中，可以监视人体内的化学变化，使人体体植入血管中，可以监视人体内的化学变化，使人体体质增强，使残疾人从新站起来。质增强，使残疾人从新站起来。 (v) (v)神经电脑：模仿人脑中神经元结构的工作模式。神经电脑：模仿人脑中神经元

18、结构的工作模式。纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用4 4、纳米光学材料：、纳米光学材料：（1 1）光子晶体：在均匀光介质中引入折射率的周期）光子晶体：在均匀光介质中引入折射率的周期调制，该材料中就会出现带隙效应，即对于一定频率调制，该材料中就会出现带隙效应，即对于一定频率范围的光波被禁止在材料中传播，这种折射率的周期范围的光波被禁止在材料中传播，这种折射率的周期性变化晶格称为光子晶体。性变化晶格称为光子晶体。 光子晶体由于具有一个完整的光子禁带和光子局光子晶体由于具有一个完整的光子禁带和光子局域，使得它具有广泛而重要的应用，如：高功率低损域，使得它具有广泛而重要的应用，如

19、：高功率低损耗反射镜、光子晶体微谐振腔、光子选频滤波器等。耗反射镜、光子晶体微谐振腔、光子选频滤波器等。纳米材料纳米材料在信息领域的应用在信息领域的应用4 4、纳米光学材料：、纳米光学材料：（2 2）光子储存器：光子存储的基本原理是基于光子）光子储存器：光子存储的基本原理是基于光子同物质（记录信息的介质）的直接相互作用。它的最同物质（记录信息的介质）的直接相互作用。它的最大优点是：大优点是：（i i）超高的记录速度（很容易达到纳秒或皮秒量级）超高的记录速度（很容易达到纳秒或皮秒量级）（ii ii）超高的分辨率（在理论上达到分子水平）超高的分辨率（在理论上达到分子水平）（iiiiii）超高的存储

20、密度（储存容量特大）超高的存储密度（储存容量特大）纳米材料纳米材料在信息领域的应用在信息领域的应用4 4、纳米光学材料：、纳米光学材料：（3 3）光电脑：即光电脑，它是由激光器、透镜、反射镜等组）光电脑：即光电脑，它是由激光器、透镜、反射镜等组成的电脑。成的电脑。（i i）光电脑是依靠激光束进入透镜和反射镜组成的陈列来对）光电脑是依靠激光束进入透镜和反射镜组成的陈列来对信息进行处理的，其处理信息的速度可达现有半导体硅器件的信息进行处理的，其处理信息的速度可达现有半导体硅器件的10001000倍。倍。（ii ii）不同光束相交时可以互不影响地独立传播，这使得光电）不同光束相交时可以互不影响地独立

21、传播，这使得光电脑能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，如：一块脑能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，如：一块4 4平方厘米的通道空间，其容量超过全球现有电话电缆总和的许平方厘米的通道空间，其容量超过全球现有电话电缆总和的许多倍。多倍。纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用5 5、纳米磁性材料的磁特性：、纳米磁性材料的磁特性：（1 1）超顺磁性：纳米颗粒的尺寸小到一定临界值时）超顺磁性：纳米颗粒的尺寸小到一定临界值时会进入超顺磁状态。如：四氧化三铁粒径达到会进入超顺磁状态。如：四氧化三铁粒径达到1616纳纳米时变成顺磁体。米时变成顺磁体。（2 2）高矫顽力：纳米颗粒

22、的尺寸高于超顺磁临界尺）高矫顽力：纳米颗粒的尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高矫顽力。（剩磁性很强）寸时通常呈现高矫顽力。（剩磁性很强）（3 3）高磁化率：纳米磁性金属的磁导率是常规金属）高磁化率：纳米磁性金属的磁导率是常规金属的的2020倍。倍。纳米材料纳米材料技术技术在信息领域的应用在信息领域的应用5 5、纳米磁性材料的应用：、纳米磁性材料的应用：（1 1）巨磁阻材料：它是指在一定的磁场下电阻急剧）巨磁阻材料：它是指在一定的磁场下电阻急剧减小的现象，减小的幅度比常用材料要高出减小的现象，减小的幅度比常用材料要高出1010倍。倍。 应用：巨磁阻效应的读出磁头（将磁盘记录密度应用：巨磁阻效应的

23、读出磁头（将磁盘记录密度提高了近提高了近2020倍）；微弱磁场探测器。倍）；微弱磁场探测器。（2 2）磁记录材料：纳米颗粒、纳米薄膜可以是很好）磁记录材料：纳米颗粒、纳米薄膜可以是很好的磁记录材料。的磁记录材料。纳米材料纳米材料技术技术在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用 主要讲授：主要讲授：1、纳米涂层在航空航天材料中的应用、纳米涂层在航空航天材料中的应用2、纳米功能材料在航空航天领域中的应用、纳米功能材料在航空航天领域中的应用3、纳米材料技术在航空航天和军事中的应用、纳米材料技术在航空航天和军事中的应用纳米材料纳米材料技术技术在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用1、纳米涂层在航空航

24、天材料中的应用、纳米涂层在航空航天材料中的应用（1）纳米防护涂层）纳米防护涂层 它主要包括：金属及合金纳米涂层、陶瓷纳米涂它主要包括：金属及合金纳米涂层、陶瓷纳米涂层、塑料与高分子纳米涂层。层、塑料与高分子纳米涂层。 纳米涂层可以提高基体的防护能力（防腐蚀、防纳米涂层可以提高基体的防护能力（防腐蚀、防紫外线、防变色等），达到保护、修饰、杀菌、保洁紫外线、防变色等），达到保护、修饰、杀菌、保洁的目的。的目的。纳米材料纳米材料技术技术在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用1、纳米涂层在航空航天材料中的应用、纳米涂层在航空航天材料中的应用（2）纳米微波涂层）纳米微波涂层 主要包括：微波透波纳米涂层

25、和微波吸收纳米涂层。主要包括：微波透波纳米涂层和微波吸收纳米涂层。（i）微波透波纳米涂层，是指对波长为）微波透波纳米涂层，是指对波长为11000毫米、毫米、频率为频率为0.3500赫兹范围的电磁波的透过率大于赫兹范围的电磁波的透过率大于70%的材料，用于微波发射或接收装置的天线或窗口的表的材料，用于微波发射或接收装置的天线或窗口的表面涂层。面涂层。（ii）微波吸收纳米涂层，起作用与微波透波纳米涂）微波吸收纳米涂层，起作用与微波透波纳米涂层相反，用做飞机、潜艇等的层相反，用做飞机、潜艇等的“隐身衣隐身衣”。纳米材料纳米材料技术技术在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用1、纳米涂层在航空航天材料

26、中的应用、纳米涂层在航空航天材料中的应用（3）纳米光学涂层：主要包括）纳米光学涂层：主要包括（i）纳米可见光涂层：包括对可见光的透射涂层、反射涂层。）纳米可见光涂层：包括对可见光的透射涂层、反射涂层。 （ii）纳米红外线涂层：包括对紫外线透射涂层、反射涂层）。）纳米红外线涂层：包括对紫外线透射涂层、反射涂层）。 （iii）纳米紫外线防护涂层）纳米紫外线防护涂层 。（iv）纳米隐身材料涂层：）纳米隐身材料涂层：“隐身技术隐身技术”与与“激光激光”、“巡航巡航导弹导弹”并称为当代军事技术的三大革命。并称为当代军事技术的三大革命。纳米材料纳米材料技术技术在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用2、纳

27、米功能材料在航空航天领域中的应用、纳米功能材料在航空航天领域中的应用（1）纳米传感器材料：纳米材料的比表面大、表面）纳米传感器材料：纳米材料的比表面大、表面活性高，可广泛用作传感器材料。活性高，可广泛用作传感器材料。（i）气体传感器：是利用金属氧化物的电阻随周围）气体传感器：是利用金属氧化物的电阻随周围气体组成的改变而变化，从而对气体进行检测和测定。气体组成的改变而变化，从而对气体进行检测和测定。（ii）红外线传感器：即辐射热量测量器，在战场上）红外线传感器：即辐射热量测量器，在战场上可以测出敌方人员、武器装备等与背景之间的微弱温可以测出敌方人员、武器装备等与背景之间的微弱温度差，从而确定军情布置。度差，从而确定军情布置。纳米材料纳米材料技术技术在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用2、纳米功能材料在航空航天领域中的应用、纳米功能材料在航空航天领域中的应用（2）新型红外纳米陶瓷材料与新型纳米玻璃材料：）新型红外纳米陶瓷材料与新型纳米玻璃材料：（i）新型红外纳米陶瓷材料：它是能够透过或者反）新型红外纳米陶瓷材料：它是能够透过或者反射红外辐射的多晶陶瓷材料，可用作红外跟踪装置、射红外辐射的多晶陶瓷材料，可用作红外跟踪装置、红