纳米材料与纳米技术PPT文件格式下载.pptx

1、分子水平计算技术的飞跃，有可能为未 来诞生极微小但极快速的分子计算机铺平道路。,4,中国未来十大科技突破口之纳米材料与纳米技术,5,纳米科技是20世纪末才逐步发展起来的新兴科 学领域，它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所 有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料 是未来社会发展极为重要的物质基础，许多科 技新 领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科 技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料 和纳米技术的支持。,一、纳米技术的提出,1905年春天，爱因斯坦写信给他 的同事康法拉哈比希特，透露 自己在这一年中将做4项工作，其 一是要测量出分子的真正大小，估计出一个糖分子的直径约为1纳 米，首次将纳米与分

2、子大小挂上 钩，并证明了分子的存在。这是 20世纪初物理学界十分关注的问 题之一。,6,一、纳米技术的由来和发展,1959年12月，在美国物理学会年会上，著名物理学 家、诺贝尔物理奖得主理查德费曼教授作了一次非常 著名的讲演，题目叫做“自底层构造的丰富结构”。其 中有一段话是这样说的：“我认为，物理学的原理并不 排斥有一个一个的安排原子来制造东西。这样做，并 不违反任何定理，因而在原则上是可以实现的。它在 实践中迄今未实现是因为我们太大了。”他还说：“如 果我们能按照自己的愿望一个一个的安排原子，将会 出现什么 这些物质将有什么性质？这是十分有 趣的理论问题。虽然我不能精确回答它，但我决不怀

3、疑当我们能在如此小的尺度上进行操纵时，将得到具 有大量独特性质的物质。”现在，理查德费曼的演讲已 被看作是纳米科技基本概念的起源，有人甚至将纳米 科技形象的称为“费曼之梦”。,7,1982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。,1985年，美国科学家在研究团簇的过 程中发现了C60，它是足球式的中空形分 子，直径为0.7nm，C60的发现反应了自然 界物质在纳米尺度下的有序排列的优异性 能，罗伯特柯尔（RiceUnivercity）等人因这一发明获得了1996年度诺贝尔化学奖。C6

4、0也被称作“富勒烯”，因形状极像足 球又被称为“巴基球”,8,1986年，IBM公司宾尼（Binnig），与苏黎士实验室的 盖博（Christoph Gerber）及美国史丹佛大学魁特（Calvin F Quate）发明了原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscopy）。AFM可以用于分辨包括 绝缘体在内的各种材料表面，弥补了STM只能分辨导电 材料表面的不足，其应用范围无疑比STM更加广阔。同年，预测专家K.E.Drexler博士的创造的引擎纳米 技术新纪元出版。该书中作者推测利用蛋白质在原子 水平上进行合成，制造机器人。,9,1990年，美国IBM公司在镍表面用35个

5、氙原子组成了一个“IBM”图案。标 志着人类已经具备操纵单个原子的能力。,10,1988年，美国杜邦Dupont公司的科研人员 W.Degrado等无意中设计出一种新的蛋白质，世界上第一个认为设计的蛋白质诞生了。,一年之后，他们用一氧化碳分子在镍表面上构造了一个大头 娃娃的分子人，分子人从头到脚仅有5nm高度。,11,1991年，碳纳米管被人类发现，碳纳米管是石墨中 一层或若干层碳原子卷曲而 成的笼状“纤维”，内部是 空的，外部直径只有几到几 十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的 1/6，而强度却是钢的100倍。成为纳米技术的研究热点。,12,1993年，继“”之后，中国科学院北京

6、真空物理实验室 自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始开始在 国际纳米科技领域占有一席之地。,13,1997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储容量比现有计算 机提高成千上万倍的量子计算机。,1999年，巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”，可称量十亿分之一克的物体，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。,14,到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营 业额已达到500亿美元。,近年来，一些国家纷纷制定相关相关战略或者计划，投 入巨资抢占纳米

7、技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列如新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；美国将纳米技术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。,15,纳米纪事最早的纳米材料：-中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡-中国古代的墨及染料-1857年，法拉第制备出金纳米颗粒-1861年，胶体化学的建立-1962年，久保（Kubo）提出著名的久保理论-上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究-1985年，Kroto和Smalley等人发现C60-1990年7月，在美国巴尔的摩召开第

8、一届纳米科技会 议-1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出 纳米材料工程,16,自然界的纳米材料,17,1、人体和兽类的牙齿2、海洋的生命粒子3、蜜蜂的“罗盘”腹部的磁性纳米粒子4、螃蟹的横行磁性粒子“指南针”定位作用的紊 乱5、海龟在大西洋的巡航头部磁性粒子的导航,纳米材料发展的三个阶段,18,第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不 同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研 究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单材料和 单相材料，国际上通常把这类纳米材料

9、称纳米晶或纳米相材料。第二阶段（1994年前）人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米 微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物 性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段（从1994年到现在）纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受 到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。,现在，纳米技术的发展使新的学科领域不断涌现：,（1）纳米物理学；（3）纳米材料学；,19,（2）纳米化学；（4）纳米生物学；（6）纳米加工学；,（5）纳米电子学；（7）纳米力学；,（8）纳米及电系统；,20,二

10、、纳米材料概述,人类活动的-宏观世界,1、什么是纳米材料纳米（nm）：纳米材料（0.1100nm）：几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一 起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于 大块物体的性质。2、纳米材料是介于微观与宏观之间以原子、分子为主体-微观世界过渡区-纳米世界-介观世界,21,三、纳米材料的特性,22,纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始 导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的效 应：表面效应

11、、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧 道效应。,1、表面效应,23,用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为 2*10-3微米）进行电视摄像，观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间 的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面 体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅 速氧化而燃烧。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代 的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。,2、小尺寸效应,2

12、4,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。（1）特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富 贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为 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。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通 常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性 可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳 能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外 隐身技术等。,（2）特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微 化后却发现其熔点将显著降低，当颗

13、粒小于10纳米量级时尤为 显著。例如，金的常规熔点为1064C，当颗粒尺寸减小到10纳 米尺寸时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因 此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的 基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银 粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日 本川崎制铁公司采用011微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆 料可代替钯与银等贵金属。,25,（3）特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制 成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的 界面，界面的原

14、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一定的延展性，使陶 瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在 室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以 具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈 纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一 陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。,26,3、量子尺寸效应,金属纳米晶粒的能级间距为：,费米势能,微粒中的原子数宏观物体：电子处于连续变化的能带上，光谱为连续光谱。,较小,纳米晶粒：有确定值,27,电子处于分离的能级上，光谱为线状光谱。纳米晶粒能级间间距随颗粒尺寸减小而增大。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。,4、宏观量子隧道效应,28,隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高 度时，该粒子仍能穿越这势垒。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在 隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量 子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应