纳米材料和纳米结构

纳米材料和纳米结构第1页/共76页课件制作：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房间个人介绍第2页/共76页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第3页/共76页

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第4页/共76页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日第5页/共76页关于物理学：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》杂志前主编第6页/共76页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7页/共76页第一部分

材料研究的重要性第8页/共76页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）：硅第9页/共76页主导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&Nanotechnology第10页/共76页第二部分

纳米材料的研究历史第11页/共76页纳米科技的提出：一个神奇的梦想人物：Richard.P.Feynman(1964年Nobel物理奖得主)时间：1959年12月25日地点：美国加州理工学院Thereisaplentyofroomsatthebottom第12页/共76页概念的提出、建立与发展

1962年，日本物理学家Kubo建立Kubo理论

1974年，日本物理学家Taniguchi

提出纳米技术（Nanotechnology）的概念

1981年，德国物理学家H.Gleiter

提出固体纳米结构（NanostructureofSolid）的概念

1990年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）规范纳米科技四大领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学第13页/共76页制备与测试技术发展1981年，德国物理学家H.Gleiter

金属纳米粉体、纳米结构固体（Nanostructured

Solid）的物理制备，真空蒸法冷凝法

1982年,IBM实验室G.Buining,H.Rohrer(Nobel物理奖得主）

扫描隧道显微镜（STM）的发明，原子尺度材料结构的观察、人工操纵及加工1985年，美籍中国物理学家李远哲（Nobel化学奖得主）

分子束外延技术（MBE）生长薄膜材料，半导体超晶格技术第14页/共76页制备与测试技术发展（2）第15页/共76页制备与测试技术发展（3）单晶硅表面原子排列由C60分子在单晶铜表面做成的纳米算盘第16页/共76页制备与测试技术发展（3）第17页/共76页用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形。制备与测试技术发展（4）第18页/共76页研究热潮的到来2000年美国启动纳米技术促进计划N.Lane科学技术总统助理“如果人们问我哪个科学和工程领域最有可能在未来产生突破性成就，我认为会是纳米科学和工程”。W.J.Clinton美国总统“我正在支持一项对美国未来经济和发展将产生深远影响的纳米技术，它是21世纪最重要、应该优先发展的计划……”。美国政府发布“国家纳米技术倡议（NNI）”；同时，成立隶属于美国国家技术委员会（NCT）的国家纳米科学、工程与技术分委员会（SNSET）第19页/共76页研究热潮的到来（2）日本、德国立即出台相应研究计划日本政府要像抓微电子技术那样很抓纳米技术……，把发展纳米技术作为21世纪前20年日本的立国之本。德国政府纳米技术是21世纪高科技的制高点。宣布成立跨部门的六大科学研究中心,协作发展纳米技术。第20页/共76页研究热潮的到来（3）其他国家行动印度要像抓软件产业那样，快速发展纳米技术。

韩国2001年成为对纳米技术投入增长最快的国家。第21页/共76页研究热潮的到来（4）中国：决战纳米时代2000年7月中央政治局全体委员听取中科院有关纳米技术的报告，提出决战纳米时代的指示国内研究已经具备一定的基础，建立了一定的国际影响宣布成立国家纳米科技中心目标：建立中国自己的纳米科技创新体系第22页/共76页第三部分

纳米材料的科学内涵第23页/共76页人类认识自然的尺度范畴宇观尺度：距地球最远星系约150亿光年宏观尺度：肉眼可见范围，约10-4m以上介观尺度：包括微米、亚微米、纳米和团簇原子原子核尺度：10-15m---10-10m基本粒子尺度：10-19m，包括夸克、轻子第24页/共76页纳米科学与技术的基本特征与特点学科交叉性纳米科学与技术是基于纳米尺度的物理、化学、生物学、材料学、制造、信息、环境、能源等多学科构成的一个新兴学科交叉体系。学科的层次纳米科学与技术是涉及基本原理、关键技术和广泛应用的科学技术体系，可大致分为基础、技术和应用三个层次。第25页/共76页纳米科学与技术的基本特征与特点（2）学科研究与发展的基本内涵纳米科学与技术的研究和发展是一个复杂的系统工程，它主要包括五个方面：（1）由基础研究支撑的创新思想和概念；（2）由工艺、技术研究支撑的技术革命和革新；（3）测试、表征以及纳米标准的建立和完善；（4）技术成果产业化的组织和实施；（5）技术成果市场的及时开拓和发展。学科的基本技术基础和支撑纳米科学与技术的基本基础和支撑是纳米材料和纳米器件。第26页/共76页纳米科学、纳米技术及其学科分类纳米科学研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学纳米技术在纳米尺度范畴内对物质（原子、分子、团簇、或材料等）进行操纵和加工的技术学科分类纳米科学与纳米技术无法截然分开。目前，按照研究内容，获得普遍认可的分支学科大致包括：纳米材料学、纳米电子学、纳米光子学、纳米机械学、纳米摩擦学、纳米生物学、纳米加工学、纳米检测与表征等；纳米材料与器件是上述所有分支学科的共同交叉点第27页/共76页纳米材料的定义

纳米材料是指材料的基本结构单元至少有一维的特征尺寸介于1~100nm，并由于纳米尺寸效应（nanoscalesizeeffect）、表面/界面效应（surface/interfaceeffect）和量子限域效应（quantumconfinementeffect）而表现出奇异的、不同于相应的体材料所具备的物理或化学特性的材料或材料体系第28页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）纳米颗粒与粉体（零维）纳米线与纳米管（一维）纳米带（二维）纳米薄膜（二维）多孔材料纳米结构材料有机分子材料第29页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）薄膜、量子线和量子点：截面示意图薄膜量子线量子点第30页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）铂催化剂纳米颗粒：形貌与电子衍射第31页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）碳纳米管第32页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）纳米管与纳米线（a）CVD多壁碳纳米管，（b）GaN纳米线，（c）SiC纳米线第33页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）ZnO纳米带宽度、厚度均为nm量级，长度mm量级第34页/共76页多孔氧化铝纳米材料的分类（几何形状与维度）第35页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）多孔材料：MCM-41分子筛第36页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）GaAs/InAs多层膜量子点第37页/共76页纳米材料的分类（几何形状与维度）纳米结构材料的分类示意图第38页/共76页纳米材料的基本结构特征第39页/共76页纳米材料的基本物理特性1.量子尺寸效应:随着颗粒尺寸变小，晶体传统的周期性边界条件将被破坏，在一定条件下会引起材料的物理性质发生质的改变,出现新的效应。这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为量子尺寸效应。举例:如材料的光吸收会显著增加,所有的金属将失去光泽而变为黑色；超导相向正常相转变;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。第40页/共76页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，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第41页/共76页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。第42页/共76页纳米材料的基本物理特性（2）举例：CdS/硅纳米孔柱阵列第43页/共76页纳米材料的基本物理特性（2）第44页/共76页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。粒径(nm)2nm5nm10nm100nm原子总数Ｎ3504000300003×106表面原子百分数8640202比表面积(m2/g)450180909尺寸小，表面大，活性高。第45页/共76页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。第46页/共76页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，隧穿效应发生第47页/共76页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。第48页/共76页纳米材料的基本物理特性（4）第49页/共76页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:原子团簇纳米颗粒第50页/共76页纳米材料的制备技术（2）(按物态分类)气相法液相法固相法蒸发-冷凝法化学气相反应法溶胶-凝胶法沉淀法喷雾法非晶晶化法机械粉碎(高能球磨)法固态反应法第51页/共76页第四部分

纳米材料的研究意义第52页/共76页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53页/共76页第一次产业革命(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、能量转化原理第54页/共76页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、无线电通讯第55页/共76页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

第56页/共76页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。第57页/共76页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第58页/共76页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n-电子学n-加工n-生物基础n-材料n-器件基础纳米物理纳米化学纳米力学第59页/共76页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存储密度：1061011=10万个磁盘

读写速度：1GB20GB20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。第60页/共76页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100~1000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低100~1000倍纳米技术21世纪第61页/共76页

DNA芯片纳米材料是二十一世纪的主导技术第62页/共76页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第63页/共76页纳米材料是二十一世纪的主导技术医疗药物环境能源宇航交通生物农业电子器件计算机国家安全新材料制造传统产业纳米技术对关键问题的影响力推动GDP快速增长第64页/共76页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第65页/共76页名人预测名人预测

中国在21世纪魔术般的成为超级先进国家，纳米技术是可选择的重要途径。乔纳森.斯彭斯--美国耶鲁大学中国现代史教授罗雷尔--诺贝尔物理奖获得者七十年代重视微米技术的国家都已成为发达国家,现在重视纳米技术的国家有可能成为下一世纪的先进国家第66页/共76页第五部分

纳米材料面临的挑战第67页/共76页

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