纳米科学技术的发展与应用

纳米科学技术的发展与应用

1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始研究直径为1.10纳米（1nm=10-9？m）的粒子系统。然而，真正有效的纳米颗粒始于20世纪60年代。1973年，uyeda等人用气体冷却法制备了金属纳米颗粒，并用电镜和衍射法研究了它们的形状和结构。在20世纪70年代末，declocks乐成立了纳米科学研究所。1986年，glarker和其他人首次全面报道了纳米的结构和性质。20世纪90年代7月，第一批美国巴尔莫纳科学技术会议召开，这标志着纳米科学的正式诞生。从那时起，一些发达国家已经开始投入大量资金进行研究。中国也多次召开全国纳米结晶材料学术研讨会，1992年成立了纳米国际化出版物。1nanost与纳米器件器件微小化是推动现代科学技术发展的重要因素,而器件微小化对寻找新型功能材料提出了更高的要求.因此,人们需要对一些介观尺度的各种现象,如纳米尺度材料的结构、特性以及与低维相关联的量子尺寸限制效应等进行深入的研究,随之纳米科学技术也就应运而生.所谓纳米科学技术(nanoscienceandtechnology,简称NanoST)就是在0.1~100nm尺度上研究和应用原子、分子现象,并由此发展起来的多学科的、基础研究与应用研究紧密联系的新的科学技术.它是现代物理(介观物理、量子力学、混沌物理和分子生物学等)和先进工程技术(计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术)结合的产物.纳米并非是一个新名词,但是在NanoST中的纳米却是一种新的思考方式,即生产过程要越来越精细,以致最后在纳米尺度上直接由原子和分子制造具有特定功能的产品.因此,随着NanoST的发展,必将引发一系列新的科学技术.国际纳米科技会议将纳米科技分为6个主要部分,即纳米电子学、纳米物理、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米测量学.其中纳米电子学处于重要地位,其研究的直接目标就是新型的纳米电子器件,在纳米器件中,最有特色的是单电子器件.其典型结构是纳米粒子,它的电子结构特点是一个势阱内具有分立能级的量子点,若处于量子点内的电子能量高于热起伏,那么就可以检测到单电子隧穿现象.在此基础上可以构造单电子晶体管、逻辑电路、存储电路以及纳米功能元件阵列的超高密度集成电路.与现在的微电子器件相比,它具有更低的功耗、更快的开关速度、更高的存储密度以及更高的集成度.因此,它不仅有丰富的理论内容,而且有极为现实的应用前景.2纳米信息技术的发展历程与纳米计算方法过去半个多世纪的历史表明,电子器件的发展,对人类社会的进步起着巨大的推动作用.从真空电子管的发明到晶体管的出现,从集成电路的诞生到大规模集成电路和超大规模集成电路的广泛应用,每一代小型化电子器件的出现,都带来了电子技术的革命,推动了电子科技的迅速发展,也促进了其它科技和社会生产的进步.特别是以微电子器件为基础的高速计算机的出现和个人计算机的广泛应用,使人类社会进入了计算机时代.促进计算机时代继续发展的一个重要因素是微电子器件的集成度不断提高,其芯片上的功能元件尺寸不断减小,按照目前功能元件尺寸减小的速度推算,不久的将来,芯片上功能元件的尺寸将进入纳米范围.目前,人类广泛应用的功能材料和元件,其尺寸远大于电子自由程,观测的电子输运行为具有统计平均结果.描述这些性质的主要是宏观物理量,现已有成熟的理论和技术.当功能材料和元件的尺寸逐渐减小到纳米量级时,其物理长度与电子自由程相当,载流子的输运将有明显的量子力学特征,传统的理论和技术已不再适用.因而,需要发展基于电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落等特性的新的理论和新的技术.传统科学技术中元件尺寸是从毫米向微米过渡,现在,在新技术、新效应的应用中,功能元件的尺寸要求从微米向纳米过渡.如果再进一步发展,需要组装性能更新颖、结构更复杂的功能元件,就需要开发新材料和相应的组装技术,也就更需要多学科的协作与交叉发展.因此,从80年代后期开始逐渐发展起来了一个新的综合性的多学科交叉的研究领域——纳米科学技术.纳米科学技术的诞生将对生产力的发展产生深远的影响,并且有可能从根本上解决人类面临的一系列问题,例如粮食、健康、能源和环境保护等重大问题.3纳米多级材料的确定,分为三级广义的纳米材料泛指三维空间中至少有一维处于纳米量级的材料,例如,厚度为纳米量级的薄膜、多层膜;直径为纳米量级的线管;三个维度均为纳米量级的微粒、微晶及其所组成的材料.狭义的纳米材料主要是指后者.3.1纳米粒子的表征纳米粒子是在纳米尺度上原子和分子的集合体,是既大于原子簇又小于通常微粉,一般粒径在1~100nm之间,只能用高倍电子显微镜进行观察的微粒.由于纳米粒子粒径小,其表面(晶界)占的比重很大.对每一个纳米粒子来说,它是由两部分原子集合而成的,即体相中配位饱和且作用力场对称的原子和表面上具有断键且作用力非对称的原子组成.原则上讲,金属、非金属、有机物、无机物均可采用物理、化学、生物等方法使其超细微化,从而得到相应的纳米粒子.由于材料在超细微粒化过程中发生了质的飞跃,产生了许多优于传统材料的特殊性能.3.2界面区域原子的排列无序度、混乱度由纳米微粒压制烧结而组成的三维物体称为纳米固体.从结构上来说它是由两种组元构成,即颗粒组元和界面组元.由于颗粒尺寸小,界面组元占据了可以与颗粒组元相比拟的体积百分比,例如,当微粒的粒径为5nm时,界面所占纳米固体的体积百分数大约为50%.界面组元内的原子排列无序度、混乱度高于传统晶态和非晶态.当然也有对此持不同观点的提法.如最近有人用TEM高分辨技术对钯的纳米晶体进行仔细观察,发现纳米晶体的界面区域原子仍处于一种短程序状态.这种截然不同的观点说明纳米态结构特征、界面原子状态仍然是悬而未决的问题,亟待深入探讨.3.3薄膜薄膜中粒子随机地、混乱地分散纳米复合材料大致包括三种类型:一种是0-0复合,即不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体;第二种是0-2复合,即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中,这种0-2复合材料又可分为均匀弥散和非均匀弥散两类.均匀弥散是指纳米粒子在薄膜中均匀分布,非均匀弥散是指纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中;第三种是0-3复合,即把纳米粒子分散到常规的三维固体中.用这种方法获得的纳米复合材料由于它的优越性能和广泛的应用前景,成为当今纳米科学研究的热点之一.此外,有人把纳米层状结构也归结为纳米材料,由不同材质构成的多层膜也称为纳米复合材料.目前,正在进行研究或已经获得的纳米复合材料包括:纳米复合涂层材料、高力学性能材料、高分子基纳米复合材料、磁性材料、光学材料、高介电材料、仿生材料等.随着纳米材料科学的不断深入发展,人们必将会不断地获得更多、性能更优的纳米复合材料.纳米微粒属于介观系统,即处在原子簇与宏观物体交界的过渡区域,按通常的观点来看,这样的系统既非典型的微观系统,亦非典型的宏观系统.它具有一系列新异的特性,涉及到大块样品中所忽略的、或根本不具有的一些基本物理、化学问题.对它的研究是人类认识客观世界的新层次,一些与传统凝聚态物理不同的新现象、新概念和新规律将从这里诞生.4纳米效果当微粒的尺寸进入纳米量级(1~100nm)时,其本身和由它构成的纳米固体具有如下四个方面的效应,也称为纳米效应.4.1纳米粒子尺寸的影响当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时,周期性的边界条件被破坏,声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著变化.这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应,也叫体积效应,它是其它效应的基础.例如,随着纳米粒子尺寸减小,光吸收显著增加并产生吸收峰等离子共振频移;由磁有序状态向磁无序状态的转变;由超导相向正常相的转变和声子谱的改变等.利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质,可以改变颗粒尺寸控制吸收边的位移,制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料,用于电磁波屏蔽、隐形飞机等.4.2纳米粒子及固体材料的表面高效燃烧表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化.因表面原子处于“裸露”状态,周围缺少相邻的原子,有许多空悬键,易与其它原子结合而稳定,具有较高的化学活性.例如,利用纳米粒子粒径小、表面有效反应中心多、催化性好等特点,在火箭固体燃料中掺合铝纳米晶,可提高其燃烧效率.表面效应是纳米粒子及固体材料中最重要的效应之一.4.3u3000中心量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为分散能级的现象.早在60年代Kubo就采用电子模型给出了决定能级间距的著名公式δ=43EFNδ=43EFΝ,其中δ为能级间距,EF为费米能级,N为总电子数.对常规物体,因包含有无限多个原子(即所含电子数N→∞),故常规材料的能级间距几乎为零(δ→0);而对纳米粒子,因其含原子数有限,δ有一定的数值,即能级发生了分裂.当能级的间距大于热能、磁能、光子能量、超导态的凝聚能等典型能量值时,必然因量子效应导致纳米微粒的光、热、电、磁、声等特性与常规材料有显著不同.例如,特异的光催化性、高光学非线性及电学特性等.4.4微器件的基础特性微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应.近年来,人们发现一些宏观量,例如,微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观系统势垒而产生变化的隧道效应——宏观量子隧道效应.宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有重要意义,它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限,将会是未来微电子器件的基础.当微电子器件进一步细微化时,必须要考虑上述量子效应.上述四种纳米效应是纳米微粒和纳米固体的基本特性,它使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的性质.例如,金属为导体,但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性;铁磁性的物质进入纳米级(~5nm),因由多畴变成单畴而显示极强的顺磁效应;化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂等.由纳米微粒构成的纳米固体也是如此.例如,纳米金属铜的比热是传统纯铜的2倍;纳米固体钯的热膨胀提高1倍;纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩却只有普通金属的1/2等等.5纳米表面材料的应用虽然纳米粒子及由其组成的纳米固体有诸多特殊的物理、化学性质,但是纳米微粒的尺寸不同,其性质差别很大,因此,制备出具有良好粒度分布的纳米微粒是研究和应用纳米材料的先决条件.纳米微粒的制备方法可分为物理法、化学法和物理化学综合法.物理法主要包括蒸发冷凝法、离子溅射法、机械研磨法、低温等离子体法、氢脆法、电火花和爆炸法等;化学法主要有水热法、溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分解法等;综合法有激光诱导化学沉积法和等离子加强化学沉积法等.由上述方法获得的纳米微粉经加压、烧结即成纳米固体.纳米固体也可采用熔淬、机械合金化及熔融淬冷等工艺制备.纳米材料有着广泛的应用前景,主要包括以下几个方面:(1)在磁记录上的应用.磁性纳米粒子粒径小,具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性.用它做磁记录材料可以提高信噪比,改善图像质量.例如,松下电器公司已制成的纳米级微粒录像带,具有图像清晰、信噪比高、失真小的优点.(2)在传感器上的应用.纳米微粒和纳米固体是应用于传感器最有前途的材料.由于其巨大的表面和界面,对外界环境如温度、湿度、光等十分敏感,外界环境的变化会迅速引起表面和界面等离子价态和电子输运的变化,而且响应速度快,灵敏度高.例如,利用纳米NiO,FeO,CoO-Al2O3和SiC的载体温度效应引起电阻变化,可制成温度传感器(温度计、热辐射计)等.(3)在催化方面的应用.纳米粒子表面有效反应中心多,为纳米粒子作催化剂提供了必要的条件.例如,把纳米粒子掺合到发动机的液体或气体燃料中,可提高其效率.(4)在工程方面的应用.纳米固体界面积巨大,熔点低,通常在高温下烧结的材料(例如,SiC,WC,BN等)在纳米态下可以在较低温度下进行烧结,且不用添加剂仍然使其保持良好的性能.由于复相材料的熔点、相变温度不同,使其烧结比较困难.纳米微粒的小尺寸效应和表面效应不仅使其熔点降低,也使其相变温