第3讲-纳米技术的发展概况(1课时).ppt

1、纳米材料与纳米技术陈彩凤无机非金属材料教研室,第3讲,第一章 纳米技术的发展概况 1 纳米科技的概念与发展 2 纳米科技的内涵 3 纳米科技的种类 4 纳米材料的特异性能 5 纳米材料的应用,第一章 纳米技术的发展概况,纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm。 1nm=10-3m=10-6mm=10-9m 在原子物理中还常用埃作 单位（ ）， 10-10m，所以nm=10 。 氢原子的直径为1 （ ） ，所以1nm等于10个紧挨成一条线 的氢原子长度。 纳米是一个极小达到尺寸，但它又代表人们认识上的一个新层次，从微米进入到纳米。,1.纳米科技的概念与发展 纳米科学技术（Nano-

2、ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（10-1010-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究由尺寸0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。 纳米科技主要包括：纳米体系物理学；纳米化学；纳米材料学；纳米生物学；纳米电子学；纳米加工学；纳米力学。,1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。 七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳

3、米科技的构想。,原子排成的“原子”字样,1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。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。 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。,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。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。,碳纳米管属碳

4、材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。,1993年，继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”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“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。,1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，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。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世

5、界上最小的 “秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；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。,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。 2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。 这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。,到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品

6、的营业额达到500亿美元。 近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。,我国从80年代起进行了纳米科技理论和制备的研究。 90年代以来获得了丰富的研究成果。 (1)纳米材料生产线已建成100多条。 (2)国家支持的生产纳米材料的骨干企业: 东北超微粉制造公司、浙江舟山市普陀升兴纳米材料开发公司、山东正元纳米材料有限公司、江苏河海

7、疏浚工程集团公司、长春迪瑞检验制品公司,我国纳米技术的发展现状,1 纳米科技的概念与发展 2 纳米科技的内涵 3 纳米科技的种类 4 纳米材料的特异性能 5 纳米材料的应用,2 纳米科技的内涵 要理解纳米科技必须理解其内涵 . 纳米科技不仅仅是纳米材料的问题 目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。 纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新名词。这些新名词所体

8、现的研究内容又有交叉重叠。,若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域： 纳米材料 纳米器件 纳米尺度的检测与表征 其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的 研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代 的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研 究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。,目前人们对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳米材料，这是不全面的。 主要原因： 国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表现出来。 我国现在300余家从事纳米科技研发的公司也主要是从事纳米材料，尤其是纳米粉体材料

9、的生产。,B. 纳米科技不仅仅是传统微加工技术的扩展和延伸 纳米科技的最终目的是: 以原子、分子为起点,去设计制造具有特殊功能的产品。在未来，人们将可以用纳米技术一个一个地将原子组装起来，制成各种纳米机器如纳米泵、纳米齿轮、纳米轴承和用于分子装配的精密运动控制器。,纳米马达,纳米科技研究的技术路线 纳米科技研究的技术路线 可分为“自上而下”和“自下而上”两种方式。 “自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化； “针尖书写”是 “自上而下”的主要技术之一 。 纳米科技研究的技术路线 “自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿 进行设计和组装，从而构筑

10、成具有特定功能的产品，这主要是利用化学和生物学技术。,针尖,利用原子力显微镜针尖作为”笔”，一个固体基质（例如，金）作为”纸”，以及对固体基质有化学亲和力的分子作为”墨水”。 将分子从针尖毛细传输至固体基质上，直接书写亚微米尺度的包含一组分子的图形。,C. 纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题 有些人认为，纳米技术与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题，检验一项技术或产品只要看它是否是纳米量级即可。这种认识是片面的。 纳米科技的重要意义主要体现是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质或对原有性质有十分显著的改进和提升。,1 纳米科

11、技的概念与发展 2 纳米科技的内涵 3 纳米科技的种类 4 纳米材料的特异性能 5 纳米材料的应用,3. 纳米材料的种类 纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。按材料的性质、结构、性能可有不同的分类方法。 (1) 纳米微粒 纳米微粒是指线度处于1100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称。纳米微粒的形态并不限于球形、还有片形、棒状、针状、星状、网状等。一般认为，微观粒子聚合体的线度小于1nm时，称为簇，而通常所说的微粉的线度又在微米级。纳米微粒的线度恰好处于这两者之间，故又被称作超微粒。,(2) 纳

12、米固体 纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米快状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作为纳米结构材料。 (3) 纳米组装体系 由人工组装合成的纳米结构的体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。,4 纳米材料的特异性能 粒子尺寸小，有效表面积大。 (1) 小尺寸效应 (2)

13、表面效应 (3) 量子尺寸效应 (4) 宏观隧道效应,(1) 纳米材料的表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的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。如：,从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。,表面效应的主要影响： 1、表面化学反应活性 2、催化活性 3、纳米材料的稳定性 4、铁磁质的居里温度降低 5、熔点降低 6、烧结温度降低 7

14、、晶化温度降低 8、纳米材料的超塑性和超延展性 9、介电材料的高介电常数 10、吸收光谱的红移现象,(2) 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定的条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。纳米颗粒尺寸小，表面积大，在熔点，磁性，热阻，电学性能，光学性能，化学活性和催化性等都较大尺度颗粒发生了变化，产生一系列奇特的性质。例如，金属纳米颗粒对光的吸收效果显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频率偏移；出现磁有序态向磁无序，超导相向正常相的转变。,纳米相材料在电子输运过程中的小尺寸效应： 纳米相材料存在大量的晶界，使得电子散射非常强。晶界原子排列越混乱，晶界

15、厚度越大，对电子散射能力就越强。界面这种高能垒导致纳米相材料的电阻升高。,一般对电子的散射可以分为颗粒散射贡献和界面散射贡献两个部分。当颗粒尺寸与电子的平均自由程相当时，界面对电子的散射有明显的作用。而当颗粒尺寸大于电子平均自由程时，晶内散射贡献逐渐占优势。当颗粒尺寸小于电子平均自由程时，界面散射起主导作用，这时电阻与温度的关系以及电阻温度系数的变化都明显地偏离粗晶情况，甚至出现反常现象。,小尺寸效应的主要影响： 1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸 2、宽频带强吸收性质 3、光吸收增强现象 4、磁有序态向磁无序态的转变 5、超导相向正常相的转变 6、磁性纳米颗粒的高矫顽力,特殊的光学性质 当黄金

16、（Au）被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的金黄色而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。 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很大的不同。,特殊的磁性 小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。 特殊的热学性质 在纳米尺寸状态，具有减少的空间维数的材料的

17、另一种特性是相的稳定性。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10nm时尤为显著。,(3) 量子尺寸效应 各种元素原子具有特定的光谱线。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，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，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。,当热

18、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，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。,量子尺寸效应的主要影响： 1、导体向绝缘体的转变 2、吸收光谱的兰移现象 3 、纳米材料的磁化率 4、纳米颗粒的发光现象,纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应称之为宏观量子隧道效应。 如磁化强度，具有铁磁性的

19、磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，即由铁磁性变为顺磁性或软磁性。,(4) 宏观量子隧道效应,1 纳米科技的概念与发展 2 纳米科技的内涵 3 纳米科技的种类 4 纳米材料的特异性能 5 纳米材料的应用,5 纳米材料的应用,(1) 纳米材料在高科技中的地位及应用 当代的科学基础已为21世纪高技术的诞生奠定了理论基础。纳米电子学、量子电子学和分子电子学现在还在处于初级研究阶段，随着纳米科技的发展，高度集成化的要求，元件和材料的微小化，在集成过程中出现了许多传统理论无法解释的科学问题，传统的集成技术由于不能适应新的需求而逐渐被淘汰，在这种情况下以纳米电子学为指导工作的新的器件相继问世，速度之快出乎人们的

20、预料。,20世纪80年代以来电路元件尺寸下降的速度是很快的，未来的20年电路元件尺寸将达到亚微米和纳米的水平，量子效应的原理性器件、分子电子器件和纳米器件成为电子工业的核心。纳米尺度的开关材料、敏感材料、纳米级半导体/铁电体、纳米级半导体/铁磁体、纳米金属/纳米半导体集成的超机构材料、单电子晶体管材料、用于存储的巨磁材料、超小型电子干涉仪所需材料等是21世纪电子工业的关键材料，这些材料都具有纳米结构。,上图为IBM的研究人员利用纳米技术制作的硬盘，其数据存储容量超过现在硬盘存储容量的100倍。从显微镜下我们可以观察到，现在的硬盘表面上看上去非常杂乱无章，而IBM发明的新材料的表面磁化颗粒更小，

21、且排列均匀。,新型纳米材料硬盘，容量增加100多倍,左图为现在存储器介质的表面，IBM发明的新材料的表面-磁化颗粒更小，且排列均匀,IBM的研究人员发明的这种材料是一种全新的材料，通过化学反应生成极小的磁性颗粒，它们大小相等，每个只包含1000多个原子，颗粒按照格子状结构排列，其中每个颗粒与邻近颗粒的距离相等，纳米颗粒是铁和铂的混合物，全新的制作工艺不但能够精确地控制颗粒大小，而且还能控制颗粒之间的距离。这两个方面对提高数据的密度非常重要。较小的尺寸和均匀的结构两者有机地结合在一起就能进一步提高磁性存储介质上的数据密度。,(2) 磁学应用 纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产、至今还充满

22、活力、具有宽广应用前景的一类人工功能材料之一。 1.纳米磁记录材料 磁记录是信息储存与处理的重要手段，随着科学的发展，要求记录密度越来越高。磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以改善图像质量。 作为磁记录单位的磁性粒子的大小须满足以下条件：颗粒的长度应小于记录波长；粒子的宽度（如可能长度也包括在内）应该远小于记录深度；一个单位的记录体积中，应尽可能有更多的磁性粒子。,2.纳米巨磁电阻材料 1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍，达到5Gbit/in2，最近报道为11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于

23、领先地位。 利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机储存器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。巨磁电阻材料应用前景非常广阔。 3.新型的磁性液体 磁性液体的主要特点是在磁场作用下，可以被磁化，可以在磁场作用下运动，但同时它又是液体，具有液体的流动性。磁性液体的应用主要表现为用于旋转轴的动态密封、新的润滑剂、增进扬声器功率、作阻尼器件等。,4.纳米微晶软磁材料 纳米微晶软磁材料目前沿着高频、多功能方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关、传感器等。 5.纳米

24、微晶稀土永磁材料 由于稀土永磁材料的问世，使永磁材料的性能突飞猛进稀土永磁材已经历了SmCo5、Sm2Co17以及Nb2Fe14B等3个发展阶段。目前烧结Nb2Fe14B稀土永磁的磁能积已高达432KJm-3（54MGOe），接近理论值512KJm-3（64MGOe），并已进入规模生产。进一步提高纳米永磁材料的性能仍然是当前研究工作的热点。,6.纳米磁致冷 磁致冷是利用自旋系统磁熵变的致冷方式进行制冷的。与通常的压缩气体式致冷方式相比较，它具有效率高、功能低、噪音小、体积小、无污染等优点。,(3) 纳米催化 1.纳米粒子的化学催化 化学催化的作用主要可归结为3个方面：一是提高反应速度，增加反应

25、效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化，脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。纳米粒子的催化作用不仅表现为高活性，而且还提高了化学反应的选择性。,2.半导体纳米粒子的光催化 半导体的光催化效应是指在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的烃基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将酯类变化如下：酯醇醛酸CO2，完成了对有机物的降解。纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多。最近十几年来，半导体光催化在应用中得到飞快的发展。,常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、

26、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处：将这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。,3.纳米金属、半导体粒子的热催化 金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率

27、，将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。 目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。,(4) 陶瓷增韧 用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度，最近用流延法初步制备了添加纳米氧化铝的基板材料，光洁度大大提高，冷热疲劳、断裂韧性提高了将近1倍，热导系数比常规氧化铝的基板材料提高了20%，显微组织均匀。例如，由纳米陶瓷研制结果观察到纳米级ZrO2陶瓷的烧结温度比常规的微米级ZrO2陶瓷烧结温度降低了400。,陶瓷增韧,陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界

28、面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。,纳米陶瓷,(5) 光学应用 1.红外反射材料 由金超微粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器。金超微粒子膜的特点是对可见到红外整个范围的光吸收率很高。另外，纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。 2.优异的光吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是根据了这两个特性。,3.隐身材料 “隐身”是指把物体伪装起来不易被发现。纳米磁性材料，特别是类似铁氧化的纳米磁性材料放入涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之密度小，在隐身方面的应用上有明显的优越性。纳米级的硼化物、碳化