重交大纳米材料课件第1章 绪论

纳米材料孙玉恒重庆交通大学土木建筑学院5/15/20261第一章绪论纳米材料纳米科学与技术纳米材料与技术的发展历史纳米技术的重要地位5/15/20262一、纳米

纳米（Nanometer），是一种长度单位，即1米的十亿分之一。单位符号为nm。

1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m

。

5/15/20263

1nm约比人的头发的直径要小8万倍。形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。5/15/20264古文《核舟记》里描述了一艘用橄榄核雕刻的舟，窗子可以开合，上面还写着“山高月小，水落石出”八个字。这艘船的最小部件只有0.1mm（毫米），即100μm（微米）。5/15/20265微雕大师王建安在2.3cmx1.5cm面积的牙骨上雕刻了6000多字世界上最薄最小的《孙子兵法》全文。1平方厘米1600个字，1平方毫米有16个字。5/15/20266据报道，璧山县微雕大师潘启惠更能够做到在1平方毫米的面积上刻两百余字，每个字的面积约为70μm×70μm。5/15/20267用扫描隧道显微镜的针尖排列的汉字“原子”的大小只有0.001μm5/15/20268二、纳米材料原子分子

纳米材料

亚微米材料宏观物体

微观介观

宏观5/15/202691m10-2010-1510-1010-5101510510101025

1020W++粒子微观介观宏观宇观山太阳系地球星系团星系原子原子核DNA人5/15/202610

2.1

纳米材料的概念

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（0.1~100nm

）或由其作为基本单元构成的材料。5/15/2026112.2

纳米材料与结构的基本单元

零维材料：指空间三维尺度均在纳米尺度的材料一维材料：指空间有两维处于纳米尺度的材料二维材料：指三维空间有一维在纳米尺度的材料

5/15/202612零维材料：纳米粒子一维材料：纳米线、纳米管、纳米棒二维材料：超薄膜、多层膜、纳米带三维材料：纳米块体5/15/2026132.3

纳米材料的分类

划分标准划分内容几何结构零维材料、一维材料、二维材料、三维材料材料性质半导体材料、磁性材料、非线性光学材料、铁电体材料、超导材料、热电材料、应用电子材料、光电子材料、生物医用材料、敏感材料、储能材料、热电材料、化学成分金属材料、晶体材料、陶瓷材料、玻璃材料、高分子材料、复合材料、5/15/2026142.4

纳米结构

以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的新体系。它不仅具有纳米物质单元的性能，还存在由结构组合而产生的新的特性。5/15/2026152.5

纳米材料与结构举例经检测1000多年前中国的优质松烟墨，就是用燃烧松香形成烟雾的碳纳米颗粒制成；一些染料也是纳米颗粒构成；古代铜镜的防锈层是氧化锡（SnO2）纳米颗粒构成的薄膜。5/15/202616人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物体中存在纳米磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘。电子显微镜研究表明，趋磁细菌体内通常含有直径约为20nm的磁性氧化物颗粒。5/15/202617纳米结构是生命现象中基本的东西光合作用在“纳米车间”

进行细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”（巨噬细胞）莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应”（自清洁）5/15/2026185/15/2026192.6

纳米材料的特性纳米材料除了其特征尺寸不同于常规材料，还具有明显区别于常规材料的一些特殊物理、化学特性。

表面效应：

小尺寸效应：

量子尺寸效应：

宏观量子隧道效应:5/15/202620人们制造和应用纳米材料的历史比较悠久，但都是在无意识下进行的。三、纳米科技5/15/202621最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者查理德·费曼(RichardPFeynman)。

5/15/202622他于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲。他以“由下而上的方法”(bottomup)出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”5/15/2026233.1

纳米技术

纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。5/15/202624

其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。（古人的纳米制造与应用活动是在无意识下进行的）5/15/202625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。5/15/2026261998年IBM公司用原子排成的世界上最小的广告----IBM5/15/202627

3.2

纳米科技的研究领域

1、纳米材料对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；5/15/202628二是发展新型纳米材料，包括新型纳米材料合成方法的探索和对常规材料的纳米修饰与改性。（黄维蓉老师的课题:层状硅酸盐的聚合物改性）目前，在纳米材料的应用中所遇到的关键技术问题是：在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。5/15/202629

2、

纳米器件

纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。5/15/202630纳米器件是人类探索电学、磁学、力学和生物系统极限技术的关键。纳米器件将对人类保护环境、控制污染、生产食品、提升人类的能力和健康产生极大的影响。5/15/202631基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机（A）在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。（B）在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。（C）当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放形成的三维电压/电流信号图。5/15/202632

3、纳米结构的检测与表征

为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能，发现新现象，发展新方法，创造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、光学等特性，纳米空间的化学反应过程，物理传输过程，以及研究原子、分子的排列、组装与奇异物性的关系。5/15/202633

20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家G.Binnig和H.Roher发明了扫描隧道显微镜。

STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可优于0.01nm)，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。扫描隧道显微镜5/15/202634

STM的基本原理是基于量子隧道效应和扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)去接近样品表面，当二者靠得很近时(＜1nm)，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流。扫描隧道显微镜工作原理：

5/15/202635nA针尖样品5/15/202636STM针尖5/15/202637隧道电流大小取决于针尖与表面间距及表面电子状态。因此，通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可把表面的信息；(表面形貌和表面电子态)记录下来。5/15/202638

1986年宾尼戈等人发明了利用激光检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。该仪器称为原子力显微镜（ATM）。目前此以外，还有近场光学显微镜（NSOM）、磁力显微镜（MFM）等已有二十多个品种。5/15/202639由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像，因此，这类显微镜统称为扫描探针显微镜（SPM）。其中，STM与ATM共同构成SPM的两大主体技术。5/15/202640

SPM被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性。

所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、构造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室。扫描探针显微镜的意义5/15/202641扫描探针显微镜(SPM)的出现，标志着人类在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域，一门新兴的学科领域──纳米科学技术应运而生。5/15/2026424.

纳米技术的发展史

1959年，美国著名的物理学家、诺贝尔奖获得者费曼对纳米科技进行了精辟的预言。

1974年，科学家唐尼古奇（Taniguch)最早使用“nanotechnology

”(纳米技术)一词描述精密机械加工。5/15/202643

1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。

1984年，德国物理学家Gleiter（格兰特）教授领导的研究小组研制成功了尺寸在纳米量级的黑色金属粉末，纳米固体材料诞生了。

5/15/202644

1985年，Kroto等采用激光蒸发石墨的实验中，在甲苯里发现C60团簇，其直径约为1纳米。

1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字。

1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”。5/15/202645

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。采用纳米刻蚀写成的图案“NANO1”“NANO1”代表第一届国际纳米科技会议5/15/202646

1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。

1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。

5/15/202647

1997年，美国科学家利用库仑堵塞和量子隧穿效应首次成功地实现了单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。5/15/202648

1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于—个病毒的重量。5/15/202649其称量原理类似利用弹簧的震荡特性来测算出物体质量。在这个例子中，弹簧就是一个极微细的碳管，通过测量碳纳米管的振动频率可以测出粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。碳纳米管纳米秤

5/15/202650此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。

5/15/202651

2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。5/15/202652

2000年8月，美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家在英国《自然》杂志上报告说，他们用DNA制造出了一种纳米级的镊子。

5/15/202653

2001年6月，美国加利福尼亚伯克利大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的研究人员在纳米线上制造出了世界上最小的微光器——纳米激光器。在室温下，当研究人员用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体将发射出波长只有17nm的激光。5/15/202654纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段：第一阶段(1990年即在召开“Nano1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。5/15/202655第二阶段(1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料：纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，纳米复合薄膜(0-2复合)。5/15/202656

1994年，在美国波士顿召开的秋季会议上正式提出“纳米材料工程”。这是纳米材料研究的新领域，一是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成发展新型的纳米材料，二是通过纳米添加对全统材料进行个改性，扩大纳米材料的应用范围。从此形成了纳米材料研究与应用并行发展的新局面。5/15/202657第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。5/15/2026585

纳米科学的学科交叉

1990年7月，在第一届国际纳米科学技术会议上，正式提出了“纳米材料学”、“纳米生物学”、“纳米电子学”及“纳米机械学”概念。如今，已形成了8大分支。5/15/202659基础基础制高点纳米材料学纳米测量学纳米电子学纳米加工学纳米生物学纳米物理学纳米化学纳米力学5/15/202660

1、

纳米电子学

纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而使得功能密度和数据通过量达到新的水平。在纳米尺度下，现有电子器件把电子视为粒子的前提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新的效应，如量子效应。5/15/202661利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件。与电子器件相比，量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经济可靠等优点。5/15/202662纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物。如用纳米技术制造的微型机器人，可让它安全地进入人体内对健康状况进行检测，必要时还可用它直接进行治疗；利用用纳米技术制造的“芯片实验