纳米材料---ppt.ppt

1、12主要内容主要内容一、纳一、纳 米米 和和 纳纳 米米 科科 技技二、纳米材料的概念和分类二、纳米材料的概念和分类三、纳米材料的性质及应用三、纳米材料的性质及应用3纳米在哪里？纳米在哪里？早在中国古代，安徽出的墨，从烟道里扫出来后早在中国古代，安徽出的墨，从烟道里扫出来后一遍遍地筛，研制出来的墨非常细非常均匀、饱满，一遍遍地筛，研制出来的墨非常细非常均匀、饱满，写字非常好，这实际就是纳米颗粒。写字非常好，这实际就是纳米颗粒。一、纳米和纳米科技一、纳米和纳米科技41、什么是纳米？、什么是纳米？纳米纳米不是不是“米米”，是，是长度计量单位长度计量单位，一米的十，一米的十亿分之一亿分之一(10-9

2、米米)，万分之一头发粗细（人的头发，万分之一头发粗细（人的头发直径约为直径约为80-100微米微米），形象地讲，一纳米的物体），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。放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。纳米结构纳米结构纳米结构纳米结构:通常是指尺寸在通常是指尺寸在通常是指尺寸在通常是指尺寸在100100纳米以下（纳米以下（纳米以下（纳米以下（1-1-100nm100nm）的微小结构。）的微小结构。）的微小结构。）的微小结构。“纳纳”(nano)来自于希腊文，本意是来自于希腊文，本意是“矮子矮子”或或”侏儒侏儒”(dwarf)的意思。的意思。5 Human H

3、air一纳米有多小？一纳米有多小？6病毒：病毒：病毒：病毒：30-100nm30-100nm30-100nm30-100nm纳米粒子与病毒大小相当纳米粒子与病毒大小相当红血球：红血球：红血球：红血球：200-300nm200-300nm200-300nm200-300nm细菌：细菌：细菌：细菌：200-600nm200-600nm200-600nm200-600nm胃幽门胃幽门螺杆菌螺杆菌 72、什么是纳米科技？、什么是纳米科技？1959年年费曼在一次题为费曼在一次题为在底部还有很大空间在底部还有很大空间（“There is Plenty of Room at the Bottom.”）著名的

4、演讲中提出）著名的演讲中提出“如果有如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？迹呢？”并预言，并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始组装，制造出最小的人工机器来始组装，制造出最小的人工机器来。可以说这些都是纳米技术的。可以说这些都是纳米技术的最早的动意最早的动意/梦想。梦想。最早提出纳米尺度上科学和技术问题的最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名

5、物理学家、诺贝尔奖金获得者是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德理查德费曼费曼(Richard P Feynman)。8 纳米科技的迅速发展是在纳米科技的迅速发展是在19801980年代末年代末19901990年代初。年代初。19821982年，宾尼希年，宾尼希(C(CBinnig)Binnig)和罗雷尔和罗雷尔(H(HRohrer)Rohrer)等人发等人发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道扫描隧道显微镜显微镜(scanning(scanningtunnelingtunnelingmicroscopymicroscopy，STM)STM)

6、。STMSTM不不仅以极高的分辨率揭示出了仅以极高的分辨率揭示出了“可见可见”的原子、分子微观世的原子、分子微观世界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。9扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向可优于纳米，纵向可优于0.01纳米。它主要用来纳米。它主要用来描绘表面三描绘表面三维的原子结构图维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，在纳米尺度上研究物质的特性，还还可以实现对表面的纳米加工可以

7、实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，如直接操纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。STM头部由由STM头部、电子学处理头部、电子学处理系统系统，减震系统以及计算，减震系统以及计算机系统组成。机系统组成。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜10基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的探针（针。它是用一个极细的探针（针尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近（小于尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近（小于1纳纳米）时，米）时，针尖头部的原子和样品

8、表面原子的电子云发生重叠针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（10-9 A）的）的隧道电流隧道电流；隧道电流对距离非常敏感，隧道电流对距离非常敏感，保持针尖与样品表面间距保持针尖与样品表面间距的恒定，的恒定，控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（x,y,z)移动扫描移动扫描时，由时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起于样品表面高低不平而使针尖与样品

9、之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。扫描隧道显微镜一般用于扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定导体和半导体表面的测定。扫描隧道显微镜的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理11高序石墨原子高序石墨原子 STM图象图象 用用STM描绘样品表面三维的原子结构描绘样品表面三维的原子结构:硅表面硅原子硅表面硅原子 STM图象图象 12 1990年，纳米技术获得了重大突破。年，

10、纳米技术获得了重大突破。美国美国IBM公司公司阿尔马阿尔马登研究中心（登研究中心（AlmadenResearchCenter）的科学家展示了）的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们一项令世人瞠目结舌的成果，他们使用使用STM把把35个氙原子移个氙原子移动到各自的位置，在镍金属表面动到各自的位置，在镍金属表面 组成了组成了“IBM”三个字母三个字母，这，这三个字母加起来不到三个字母加起来不到3纳米长，成为纳米长，成为世界上最小的世界上最小的IBM商标商标。131991年年IBM公司公司的的“拼字拼字”科科研小组利用研小组利用STM把一氧化碳分把一氧化碳分子竖立在铂表面上、分子间距子竖立在铂

11、表面上、分子间距约约0.5纳米的纳米的“分子人分子人”，这，这个个“分子人分子人”从头到脚只有从头到脚只有5纳米，堪称纳米，堪称世界上最小的人形世界上最小的人形图案图案。14 1993年年中国科学院中国科学院北京真实物理实验室北京真实物理实验室用用STM操纵硅原操纵硅原子写出子写出“中国中国”两个字两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。占有一席之地。（在室温下，用（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成

12、“中国中国”的图形。）的图形。）15世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图 中国科学院化学所的科技人员利用中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上通在石墨表面上通过搬迁碳原子绘制出的过搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图。16 目前科技界普遍公认的目前科技界普遍公认的纳米科技纳米科技的定义的定义是是：在纳在纳米尺度（米尺度（1100纳米）上研究物质（包括原子、分子纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性的操纵）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。和相互作用的具有多学科交叉性质的科

13、学和技术。纳纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交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。叉性质的前沿领域。17 纳米科技包括纳米科技包括三个研究领域：三个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征米尺度的检测与表征。其中其中纳米材料纳米材料是纳米科技的基础；是纳米科技的基础；纳纳米器件的研制水平和应用程度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是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；的重要标志；纳米尺度的检测与表征纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可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。少的手段和理论

14、与实验的重要基础。18 传统的生产模式传统的生产模式传统的生产模式传统的生产模式，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过切、割、刻、蚀、渗杂切、割、刻、蚀、渗杂切、割、刻、蚀、渗杂切、割、刻、蚀、渗杂等等等等许多步骤，变成电子元器件，这个过程，许多步骤，变成电子元器件，这个过程，

15、许多步骤，变成电子元器件，这个过程，许多步骤，变成电子元器件，这个过程，原材料浪费大、能耗大原材料浪费大、能耗大原材料浪费大、能耗大原材料浪费大、能耗大。纳米科技的最终目的：纳米科技的最终目的：是按人的意愿，操纵单个原子、分子，是按人的意愿，操纵单个原子、分子，是按人的意愿，操纵单个原子、分子，是按人的意愿，操纵单个原子、分子，构建构建构建构建纳米级纳米级纳米级纳米级的具有一定功能的具有一定功能的具有一定功能的具有一定功能的器件或产品的器件或产品的器件或产品的器件或产品。纳米科技研究的技术路线：纳米科技研究的技术路线：可分为可分为“自上而下自上而下”和和“自下而上自下而上”两种方式。两种方式。

16、“自上而下自上而下(top-down)(top-down)”是指通过微加工或固态技术，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不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化 (传统技术传统技术)；19“自下而上自下而上(bottom-up)(bottom-up)”是指以原子、分子为基本单元，是指以原子、分子为基本单元，根据人们的设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这根据人们的设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是意愿进行利用化学和生物学技术主要是意愿进行利用化学和生物学技术 (纳米技术纳米技术)。注：注：自下而上自下而上的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将愈来愈受到重视。愈来愈受到重视。纳米技术纳米技术纳米技术纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，子、原子搭起来，就是什么东西，子、原子搭起来，就是什么东西，子、原子搭起来