纳米材料与纳米光电子器件-UG

FAQ：物体的颜色发光体：物体的温度不发光体(透明体、不透明体)：吸收和反射??????细小的水珠、云霭超微粉体/超结构材料1第一页，共47页。自然界中五彩斑斓的颜色世界：我们身边的纳米世界2第二页，共47页。科学家的研究兴趣:茫茫宇宙:从哪里来到哪里去3第三页，共47页。科学家的研究兴趣毫厘之间的科学4第四页，共47页。科学家研究的兴趣宏观大尺寸物体或系统宇宙：一百亿光年的范围

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m：现有望远镜观察的最远距离了解宇宙的变迁微观的小尺寸物体或系统原子及原子的结构

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9m：现有显微镜观察的最小离距了解原子的结构Nano-scienceandtechnology天体物理学纳米科学与技术5第五页，共47页。纳米科学与技术(nanoscienceandtechnology,NanoST)被认为是21世纪最具有突破性的研究领域。纳米科学与技术将改变几乎每一种人造物体的性能，或开发出现有物质的不为人知的／人们所期待的常规条件下的不具有的性质。纳米晶铜带的超常延展性：5100%纳米晶金属微粒：金属的特有光泽将不复存在纳米碳管：优于金属的超强度，被美国前总统克 林顿预言为用于修筑从地球到月亮的 天梯的材料纳米材料的特有性质：量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应6第六页，共47页。Thereisplentyofroomsatthebottom：Canweputtheencyclopediaonthebottomoftheneedle?

一个针尖大约是1/15英寸，把它作为直径放大25000倍，放大后的面积与大英百科全书的全部页数相同，因此只要书写时缩小25000倍即可。人眼的分辨率约为1/120英寸，约等于大英百科全书印刷的一个亮/暗点。将它缩小25000倍，约8nm，可排列32个金属原子，以一个印刷点包含1000个原子计，这是可以做到的。纳米材料应用的一个精彩预言 1959年费曼7第七页，共47页。纳米：nanometer，nm，一个长度单位 1nm=10–9

m纳米材料：材料的尺寸在某个方向上的尺寸为纳米的量级。 零维纳米材料：量子点，纳米颗粒 一维纳米材料：纳米管、纳米线、纳米棒 二维纳米材料：超晶格结构 三位纳米材料：纳米颗粒的三维周期性排列量子点纳米管、线、棒超晶格结构8第八页，共47页。波的传播：自由的转播空间，波长不受限制波的传播：有限的传播空间，波长受到限制，只有一部分波长的波存在并得以传播，导致能量的不连续性9第九页，共47页。

纳米粒子内部电子运动的特征物质的一般特性：波粒二相性 德布罗意波的波长：=4hme/p2能量的不连续性： 微观粒子的能量：E=n2

2ħ2/2ma2波函数(r)描写微观粒子的运动10第十页，共47页。RdRdV=4

R2dRV=

R343原子的分布：均匀分布，原子的数量体积表面原子的数量占总原子量的百分比=表面体积占总体积的百分比

=dV/V=3dR/R表面层的厚度约为dR~5Å表面原子数与材料尺寸的关系11第十一页，共47页。结论：1.随着材料尺寸的减小，表面原子数占总原子数的比例增加。纳米粒子半径R<15Å<30Å<60Å<120Å表面原子/体原子(表比,D)100%50%25%12.5%宏观物体的表比：R~1mm，D1.5×10–62.宏观物体的性质主要由体原子的性质决定，纳米材料的性质主要有表面原子决定。12第十二页，共47页。铜纳米粉/体材料物性的对比镍锰13第十三页，共47页。纳米粉/体材料物性的对比碳的燃烧金属氧化高温和氧环境纳米碳粉的燃烧纳米金属粉氧化常温和氧环境表面性质的巨大差异14第十四页，共47页。纳米材料的制备方法：原理与技术pumpingcatalystgraphitecollector物理气象沉积法制备纳米材料：电弧放电，高熔点物质C6015第十五页，共47页。纳米材料的制备方法：原理与技术物理气象沉积法制备纳米材料：激光蒸发，高熔点物质LaserCollectorThermalcoupleGasoutCoolingwaterGasin16第十六页，共47页。化学气象沉积法制备纳米材料：热丝CVDGasinGasoutHotfilament气相反应物纳米材料的制备方法：原理与技术17第十七页，共47页。化学气象沉积法制备纳米材料：微波CVDGasinGasoutprecursors难分解的物质纳米材料的制备方法：原理与技术substrate18第十八页，共47页。纳米材料的制备方法：化学法原理与技术电化学制备纳米材料：Elec-ChemEtching溶胶-凝胶法制备纳米材料：Sol-GelAPowersupply+

PoroussiliconPorousAl2O3化学溶胶化学凝胶高温脱水/去处溶剂固化19第十九页，共47页。纳米材料实验室制备CVD法制备ZnO纳米棒：制备原理纳米材料的自组装生长N2N2ZnO-graphiteSiwafers1m硅衬底ZnO纳米线ZnCOAu《半导体光电》2005.8，SUN20第二十页，共47页。N2+NH3GasoutAucoatedSiwafersGalliumN2Ammonia2．CVD法制备GaN纳米棒：制备原理、自组装生长的纳米材料AuparticleSisubstrate(a)Au-GaalloySisubstrateGa(c)GaGaGaSisubstrateGaNNH3GaAu-Gaalloy(d)NH3GaZ.Yu,Z.M.Yang,S.Wang,Y.Jin,J.G.Liu,M.Gong,X.S.SUN,ChemicalVaporDeposition

2005,11,433纳米材料实验室制备21第二十一页，共47页。3．CVD法制备碳纳米管：制备原理、自组装生长的纳米材料ArArExcimerlasercollector纳米材料实验室制备22第二十二页，共47页。4.PVD法制备硅纳米线：制备原理、自组装生长的纳米材料ArArExcimerlasercollectorA.M.Morales,C.M.Lieber,

Science1998,279,208;纳米材料实验室制备23第二十三页，共47页。5.MBE法制备纳米材料：制备原理、自组装生长的纳米材料可制备的纳米材料：化合物纳米材料ZnO纳米棒TiO2，GaAs纳米材料纳米材料实验室制备24第二十四页，共47页。6.液相法制备纳米材料：制备原理、自组装生长的纳米材料Modeldescribingthegrowthofself-assembledSiOFeYH.TangetalAdv.Mater.2005纳米材料实验室制备25第二十五页，共47页。7.液相法制备纳米材料：纳米材料的自组装生长(unpublished)纳米材料实验室制备26第二十六页，共47页。8.纳米材料的制备：原子级的操控技术，纳米材料的人工装生长纳米材料实验室制备27第二十七页，共47页。神奇的纳米世界1A．实验室中的纳米世界：Fe/Cu(111)28第二十八页，共47页。神奇的纳米世界1B．实验室中的纳米世界：Fe/Cu(111)F2F1OFe原子Fe原子的像29第二十九页，共47页。2A．自然界中的纳米世界美丽的孔雀神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界30第三十页，共47页。2B．自然界中的纳米世界孔雀眼的纳米结构神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界31第三十一页，共47页。神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界32第三十二页，共47页。神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界33第三十三页，共47页。神奇的纳米世界：水上溜冰者34第三十四页，共47页。神奇的纳米世界：天生的蝙蝠侠35第三十五页，共47页。纳米材料的应用3.功能材料/复合功能材料：碳纤维/纳米碳管36第三十六页，共47页。4.纳米电子器件设计原理电子器件的基本结构：PN结PN+------++++K电子器件的基本结构：FET结构+-纳米材料的应用37第三十七页，共47页。5.纳米电子器件雏形+-纳米线纳米材料的应用38第三十八页，共47页。6.单电子晶体管器件雏形电极电极绝缘层电极电极––~~~~

+e–e电极电极电极电极e–2e+2–2e+2e––~~~~

IIIIII–––~~~

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纳米材料的应用39第三十九页，共47页。7.纳米器件雏形纳米材料的应用纳米存储器与DNA开关原理纳米传动机械原理纳米微振荡装置40第四十页，共47页。纳米洗衣机纳米冰箱纳米布料纳米材料??纳米材料的应用41第四十一页，共47页。科学发现的偶然性与必然性1．碘的发现：法国化学家库特瓦(Courtois,B.1777-1838)在燃烧海藻的灰烬中发现了碘。2．溴的发现：想当然李比希和认真的巴拉尔。法国化学家巴拉尔(Balard,A.J.1802-1876)在燃烧海藻的灰烬中发现了溴(Br)。3．一代巨匠：德国化学家李比希(Liebig,U.1803-1873)染料化学和染料工业奠定基础的霍夫曼、发现卤代烷和金属钠作用制备烃的武慈、提出苯环状结构学说为有机结构理论奠定坚实基础而被誉为“化学建筑师”的凯库勒，以及被门捷列夫誉为“俄国化学家之父”的沃斯克列先斯基等。化学教育模式。42第四十二页，共47页。S.Iijima教授的遗憾1976年，在美国西北大学做博士后的S.Ijima…无法解释的结构43第四十三页，共47页。C60的发现1985年柯尔、斯莫利和克罗托44第四十四页，共47页。C60的发现+

柯尔、斯莫利和克罗托在研究石墨电极电弧放电的产物时……45第四十五页，共47页。碳纳米管的发现1991年，日本NEC公司的饭岛(S.

Iijima)教授用高分辨电镜研究石墨棒放电所形成的阴极沉积物时[1]，发现了直径为4-30nm，长度约为几十微米的碳纳米管，并证明碳纳米管中的石墨层可以因卷曲方式不