第一章納米技術(shù)的發(fā)展概況

1、UJS納米材料制備技術(shù)納米材料制備技術(shù)陳彩鳳無(wú)機(jī)非金屬材料教研室UJS1.納米材料制備技術(shù)納米材料制備技術(shù)作者：王世敏、許祖勛、傅晶出版日期：2002年2月出版社：化學(xué)工業(yè)出版社2.功能材料與納米技術(shù)功能材料與納米技術(shù)作者：李玲、向航出版日期：2002年7月出版社：化學(xué)工業(yè)出版社3. 納米納米材料和納米結(jié)構(gòu)材料和納米結(jié)構(gòu)-國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目新進(jìn)展新進(jìn)展作者：張立德、解思深出版日期：2004年出版社：科學(xué)出版社UJS推薦閱讀推薦閱讀UJSUJS第一章第一章 納米技術(shù)的發(fā)展概況納米技術(shù)的發(fā)展概況 1 納米科技的概念與發(fā)展 2 納米科技的內(nèi)涵 3 納米科技的種類 4 納米材料的

2、特異性能 5 納米材料的應(yīng)用UJS納米（nanometer）是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫(xiě)為nm。 1nm=10-3m=10-6mm=10-9m 在原子物理中還常用埃作 單位（ ）， 10-10m，所以nm=10 。 氫原子的直徑為1 （ ） ，所以1nm等于10個(gè)緊挨成一條線 的氫原子長(zhǎng)度。 納米是一個(gè)極小達(dá)到尺寸，但它又代表人們認(rèn)識(shí)上的一個(gè)新層次，從微米進(jìn)入到納米。 UJS1.1.納米科技的概念與發(fā)展納米科技的概念與發(fā)展 納米科學(xué)技術(shù)（Nano-ST）是20世紀(jì)80年代末期誕生并正在崛起的新科技，它的基本涵義基本涵義是在納米尺寸（10-1010-7m）范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過(guò)直接操作和安排原子、分

3、子創(chuàng)造新物質(zhì)。納米科技是研究由尺寸0.1100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)。 納米科技主要包括：納米體系物理學(xué)；納米化學(xué)；納米材料學(xué)；納米生物學(xué)；納米電子學(xué)；納米加工學(xué)；納米力學(xué)。 UJS 1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造“產(chǎn)品”，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。 七十年代，科學(xué)家開(kāi)始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。原子排成的“原子”字樣UJS 1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的

4、重要工具掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見(jiàn)原子，為我們揭示一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。 1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。UJS 1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫(xiě)”下斯坦福大學(xué)英文名字、 1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”，1993年，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫(xiě)出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。UJS 1997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提

5、高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)。 1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的 “秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。 UJS2000年4月，美國(guó)能源部桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用激光微細(xì)加工技術(shù)研制出智能手術(shù)刀，該手術(shù)刀可以每秒掃描10萬(wàn)個(gè)癌細(xì)胞，并將細(xì)胞所包含的蛋白質(zhì)信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析判斷。2001年紐約斯隆-凱特林癌癥研究中心的戴維. 沙因貝格爾博士報(bào)道了把放射性同位素錒-225的一些原子裝入一個(gè)形狀像圓環(huán)的微型藥丸中，制造了一種消滅癌細(xì)胞的靶向藥物。這些研究表明納

6、米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的進(jìn)展是十分迅速的。UJS 到1999年，納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng)，全年納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元。 近年來(lái)，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國(guó)專門(mén)建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府部門(mén)將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。UJS 我國(guó)從80年代起進(jìn)行了納米科技理論和制備的研究。 90年代以來(lái)獲得了豐富的研究成果。 (1)納米材料生產(chǎn)線已建成100多條。 (2)國(guó)家支持的生產(chǎn)納米材料的骨干

7、企業(yè): 東北超微粉制造公司、浙江舟山市普陀升興納米材料開(kāi)發(fā)公司、山東正元納米材料有限公司、江蘇河海疏浚工程集團(tuán)公司、長(zhǎng)春迪瑞檢驗(yàn)制品公司我國(guó)納米技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)納米技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀UJS 1 納米科技的概念與發(fā)展 2 納米科技的內(nèi)涵 3 納米材料的種類 4 納米材料的特異性能 5 納米材料的應(yīng)用UJS2 2 納米科技的內(nèi)涵納米科技的內(nèi)涵 要理解納米科技必須理解其內(nèi)涵 . . 納米科技不僅僅是納米材料的問(wèn)題納米科技不僅僅是納米材料的問(wèn)題 目前科技界普遍公認(rèn)的納米科技的定義是：在納米尺度上研究物質(zhì)的特性和相互作用以及如何利用這些特性和相互作用的具有多學(xué)科交叉性質(zhì)的科學(xué)和技術(shù)。 納米科技與眾多學(xué)科密

8、切相關(guān)，它是一門(mén)體現(xiàn)多學(xué)科交叉性質(zhì)的前沿領(lǐng)域?，F(xiàn)在已不能將納米科技劃歸任何一個(gè)傳統(tǒng)學(xué)科。如果將納米科技與傳統(tǒng)學(xué)科相結(jié)合，可產(chǎn)生眾多的新的學(xué)科領(lǐng)域，并派生出許多新名詞。這些新名詞所體現(xiàn)的研究?jī)?nèi)容又有交叉重疊。UJS若以研究對(duì)象或工作性質(zhì)來(lái)區(qū)分，納米科技包括三個(gè)研究領(lǐng)域： 納米材料納米材料 納米器件納米器件 納米尺度的檢測(cè)與表征納米尺度的檢測(cè)與表征 其中納米材料是納米科技的基礎(chǔ)；納米器件的 研制水平和應(yīng)用程度是人類是否進(jìn)入納米科技時(shí)代 的重要標(biāo)志；納米尺度的檢測(cè)與表征是納米科技研 究必不可少的手段和理論與實(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)。UJS目前人們對(duì)納米科技的理解，似乎僅僅是講納米材料，這是不全面的。 主要原因

9、：主要原因： 國(guó)內(nèi)科研經(jīng)費(fèi)的資助以及有影響的成果的獲得，主要集中在納米材料領(lǐng)域，而且我國(guó)目前納米科技在實(shí)際生活中的應(yīng)用也最先在納米材料這一領(lǐng)域表現(xiàn)出來(lái)。 我國(guó)現(xiàn)在300余家從事納米科技研發(fā)的公司也主要是從事納米材料，尤其是納米粉體材料的生產(chǎn)。UJSB. B. 納米科技不僅僅是傳統(tǒng)微加工技術(shù)的擴(kuò)展和延伸納米科技不僅僅是傳統(tǒng)微加工技術(shù)的擴(kuò)展和延伸 納米科技的最終目的是: 以原子、分子為起點(diǎn),去設(shè)計(jì)制造具有特殊功能的產(chǎn)品。在未來(lái)，人們將可以用納米技術(shù)一個(gè)一個(gè)地將原子組裝起來(lái)，制成各種納米機(jī)器如納米泵、納米齒輪、納米軸承和用于分子裝配的精密運(yùn)動(dòng)控制器。UJS納米馬達(dá)UJS納米科技研究的技術(shù)路線 納米科

10、技研究的技術(shù)路線 可分為“自上而下”和“自下而上”兩種方式。 “自上而下”是指通過(guò)微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化； “針尖書(shū)寫(xiě)”是 “自上而下”的主要技術(shù)之一 。 納米科技研究的技術(shù)路線 “自下而上”是指以原子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿 進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品，這主要是利用化學(xué)和生物學(xué)技術(shù)。UJS針尖針尖 利用原子力顯微鏡針尖作為”筆”，一個(gè)固體基質(zhì)（例如，金）作為”紙”，以及對(duì)固體基質(zhì)有化學(xué)親和力的分子作為”墨水”。 將分子從針尖毛細(xì)傳輸至固體基質(zhì)上，直接書(shū)寫(xiě)亞微米尺度的包含一組分子的圖形。 UJSC. 納米材料不僅僅是顆粒尺寸減小的問(wèn)題

11、納米材料不僅僅是顆粒尺寸減小的問(wèn)題 有些人認(rèn)為，納米技術(shù)與微米技術(shù)相比僅僅是尺寸縮小、精度提高的問(wèn)題，檢驗(yàn)一項(xiàng)技術(shù)或產(chǎn)品只要看它是否是納米量級(jí)即可。這種認(rèn)識(shí)是片面的。 納米科技的重要意義主要體現(xiàn)是在這樣一個(gè)尺寸范圍內(nèi)，其所研究的物質(zhì)對(duì)象將產(chǎn)生許多既不同于宏觀物體也不同于單個(gè)原子、分子的奇異性質(zhì)或?qū)υ行再|(zhì)有十分顯著的改進(jìn)和提升。UJS 1 納米科技的概念與發(fā)展 2 納米科技的內(nèi)涵 3 納米材料的種類 4 納米材料的特異性能 5 納米材料的應(yīng)用UJS3. 納米材料的種類納米材料的種類 納米材料是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的材料。它包含了三個(gè)層次，即：納米微粒、納米固體和納米組裝體系。按材料

12、的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能可有不同的分類方法。 (1) 納米微粒納米微粒 納米微粒是指線度處于1100nm之間的粒子的聚合體，它是處于該幾何尺寸的各種粒子聚合體的總稱。納米微粒的形態(tài)并不限于球形、還有片形、棒狀、針狀、星狀、網(wǎng)狀等。一般認(rèn)為，微觀粒子聚合體的線度小于1nm時(shí)，稱為簇，而通常所說(shuō)的微粉的線度又在微米級(jí)。納米微粒的線度恰好處于這兩者之間，故又被稱作超微粒。 UJSUJS(2) (2) 納米固體納米固體 納米固體是由納米微粒聚集而成的凝聚體。從幾何形態(tài)的角度可將納米固體劃分為納米快狀材料、納米薄膜材料和納米纖維材料。這幾種形態(tài)的納米固體又稱作為納米結(jié)構(gòu)材料。(3) (3) 納米組裝體系納米組

13、裝體系 由人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系稱為納米組裝體系，也叫納米尺度的圖案材料。它是以納米微粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元，在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。納米微粒、絲、管可以是有序或無(wú)序的排列，其特點(diǎn)是能夠按照人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)體系具有人們所期望的特性，因而該領(lǐng)域被認(rèn)為是材料化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題。 UJS1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來(lái)最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開(kāi)關(guān)以及納米級(jí)電子線路等。碳納米管（碳納米管（CNTs

14、） UJS碳納米管屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子碳納米管屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。 UJSShort CNTs UJS31/13CNT fibers(Background)CNT fiber is continuously fiber composed of short CNTs Expected to having high Mechanical prop

15、erties (close to CNT) Electrical and thermal conductivityHowever, the mechanical properties were much lower than individual CNTLoad transfer of CNTs in the fiber is a key issue for improvement of the performance of CNT fibers.Direct observation of tensile deformation of CNT fiber within SEMUJS32/13T

16、ensile tests of CNT fiber in an SEM4 different types of sample were tested CNT fibers: S23, S11, L8 CNT webs: L13 Diameter (S23S11L8L13) Densification (S23S11L8L13)UJS33/13SEM images of samplesS23S13L13L8UJS34/13Tensile tests of S23UJS35/13Tensile tests of S13UJS36/13Tensile tests of L13UJS37/13Tens

17、ile tests of L13UJS38/13Tensile tests of L8UJS4 4 納米材料的特異性能納米材料的特異性能 粒子尺寸小，有效表面積大。 (1) 小尺寸效應(yīng) (2) 表面效應(yīng) (3) 量子尺寸效應(yīng) (4) 宏觀隧道效應(yīng)UJS(1) 納米材料的表面效應(yīng)納米材料的表面效應(yīng)納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。如： 100 80 60 40 20 0 比例（%） 表面原子數(shù)相對(duì)總原子數(shù) 0 10 20 30 40 50 UJS從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，表

18、面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，故具有很高的化學(xué)活性。UJS 納米微粒尺寸小， 表面能高， 表面原子比例份額高，如下表所示：表表1 1 納納米米微微粒粒尺尺寸寸與與表表面面原原子子數(shù)數(shù)的的關(guān)關(guān)系系納米微粒（nm）包含總原子數(shù)表面原子比例%104213*1044*1032.5*1023020408099UJS表表 2 納納米米 Cu 微微粒粒的的粒粒徑徑與與比比表表面面積積、表表面面原原子子數(shù)數(shù)、表表面面能能和和粒粒子子中中原原子子數(shù)數(shù)的的關(guān)關(guān)系系粒徑（nm）比表面

19、積（m2/g）表面 原子 / 總原子數(shù)一 個(gè) 粒子 中 原子數(shù)比表面能（J/mol）10020105216.66666010204080998.46*1078.46*1041.06*1045.9*1025.9*1035.9*104UJS表面效應(yīng)的主要影響：1、表面化學(xué)反應(yīng)活性2、催化活性3、納米材料的穩(wěn)定性4、鐵磁質(zhì)的居里溫度降低5、熔點(diǎn)降低6、燒結(jié)溫度降低7、晶化溫度降低8、納米材料的超塑性和超延展性9、介電材料的高介電常數(shù)10、吸收光譜的紅移現(xiàn)象UJS圖圖 1 金金納納米米微微粒粒的的粒粒徑徑與與熔熔點(diǎn)點(diǎn)的的關(guān)關(guān)系系UJS(2) 小尺寸效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變，在一定的條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)

20、的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。納米顆粒尺寸小，表面積大，在熔點(diǎn)，磁性，熱阻，電學(xué)性能，光學(xué)性能，化學(xué)活性和催化性等都較大尺度顆粒發(fā)生了變化，產(chǎn)生一系列奇特的性質(zhì)。例如，金屬納米顆粒對(duì)光的吸收效果顯著增加，并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻率偏移；出現(xiàn)磁有序態(tài)向磁無(wú)序，超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變。UJS 納米相材料在電子輸運(yùn)過(guò)程中的小尺寸效應(yīng)： 納米相材料存在大量的晶界，使得電子散射非常強(qiáng)。晶界原子排列越混亂，晶界厚度越大，對(duì)電子散射能力就越強(qiáng)。界面這種高能壘導(dǎo)致納米相材料的電阻升高。UJS 一般對(duì)電子的散射可以分為顆粒散射貢獻(xiàn)和界面散射貢獻(xiàn)兩個(gè)部分。當(dāng)顆粒尺寸與電子的平均

21、自由程相當(dāng)時(shí)，界面對(duì)電子的散射有明顯的作用。而當(dāng)顆粒尺寸大于電子平均自由程時(shí)，晶內(nèi)散射貢獻(xiàn)逐漸占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)顆粒尺寸小于電子平均自由程時(shí)，界面散射起主導(dǎo)作用，這時(shí)電阻與溫度的關(guān)系以及電阻溫度系數(shù)的變化都明顯地偏離粗晶情況，甚至出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。UJS小尺寸效應(yīng)的主要影響： 1、金屬納米材料的電阻與臨界尺寸2、寬頻帶強(qiáng)吸收性質(zhì)3、光吸收增強(qiáng)現(xiàn)象4、磁有序態(tài)向磁無(wú)序態(tài)的轉(zhuǎn)變5、超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變6、磁性納米顆粒的高矯頑力UJS特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金（Au）被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的金黃色而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在納米顆粒狀態(tài)都呈為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑

22、，金屬鉻變成鉻黑。特殊的電學(xué)性質(zhì) 介電和壓電特性是材料的基本物性之一。納米半導(dǎo)體的介電行為（介電常數(shù)、介電損耗）及壓電特性同常規(guī)的半導(dǎo)體材料有很大的不同。 UJS特殊的磁性 小尺寸超微顆粒的磁性比大塊材料強(qiáng)許多倍，大塊的純鐵矯頑力約為80A/m，而當(dāng)顆粒尺寸見(jiàn)效到20nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1000倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，表現(xiàn)出所謂超順磁性。 特殊的熱學(xué)性質(zhì) 在納米尺寸狀態(tài)，具有減少的空間維數(shù)的材料的另一種特性是相的穩(wěn)定性。當(dāng)人們足夠地減少組成相的尺寸的時(shí)候，由于在限制的原子系統(tǒng)中的各種彈性和熱力學(xué)參數(shù)的變化，平衡相的關(guān)系將被改變。固體物質(zhì)在粗晶粒尺寸

23、時(shí)，有其固定的熔點(diǎn)，超細(xì)微化后，卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm時(shí)尤為顯著。UJS(3) 量子尺寸效應(yīng) 各種元素原子具有特定的光譜線。由無(wú)數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。UJS當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕

24、緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。 UJS量子尺寸效應(yīng)的主要影響：1、導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變2、吸收光譜的藍(lán)移現(xiàn)象3 、納米材料的磁化率4、納米顆粒的發(fā)光現(xiàn)象UJS 納米材料中的粒子具有穿過(guò)勢(shì)壘的能力叫隧道效應(yīng)。宏觀物理量在量子相干器件中的隧道效應(yīng)稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。 如磁化強(qiáng)度，具有鐵磁性的磁鐵，其粒子尺寸達(dá)到納米級(jí)時(shí)，即由鐵磁性變?yōu)轫槾判曰蜍洿判?。UJS納米粒子的物化性能特點(diǎn)可歸納如下： 熱學(xué)性能 熔點(diǎn)下降 磁學(xué)性能 1.超順磁

25、性,臨界尺寸以下 HC 0 2.高的矯頑力， 高于臨界尺寸,HC很高 3.低的居里溫度 光學(xué)性能 1.寬頻帶強(qiáng)吸收(金屬無(wú)光澤) 2.藍(lán)移現(xiàn)象(吸收帶向短級(jí)方向移) 3.紅移現(xiàn)象 化學(xué)性能 1.吸附性 2.凝聚性 3.催化性能 4.高表面能、高化學(xué)活性UJS 1 納米科技的概念與發(fā)展 2 納米科技的內(nèi)涵 3 納米材料的種類 4 納米材料的特異性能 5 納米材料的應(yīng)用UJS5 5 納米材料的應(yīng)用納米材料的應(yīng)用(1) (1) 納米材料在高科技中的地位及應(yīng)用納米材料在高科技中的地位及應(yīng)用 當(dāng)代的科學(xué)基礎(chǔ)已為21世紀(jì)高技術(shù)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。納米電子學(xué)、量子電子學(xué)和分子電子學(xué)現(xiàn)在還在處于初級(jí)研究階段

26、，隨著納米科技的發(fā)展，高度集成化的要求，元件和材料的微小化，在集成過(guò)程中出現(xiàn)了許多傳統(tǒng)理論無(wú)法解釋的科學(xué)問(wèn)題，傳統(tǒng)的集成技術(shù)由于不能適應(yīng)新的需求而逐漸被淘汰，在這種情況下以納米電子學(xué)為指導(dǎo)工作的新的器件相繼問(wèn)世，速度之快出乎人們的預(yù)料。 UJS 20世紀(jì)80年代以來(lái)電路元件尺寸下降的速度是很快的，未來(lái)的20年電路元件尺寸將達(dá)到亞微米和納米的水平，量子效應(yīng)的原理性器件、分子電子器件和納米器件成為電子工業(yè)的核心。納米尺度的開(kāi)關(guān)材料、敏感材料、納米級(jí)半導(dǎo)體/鐵電體、納米級(jí)半導(dǎo)體/鐵磁體、納米金屬/納米半導(dǎo)體集成的超機(jī)構(gòu)材料、單電子晶體管材料、用于存儲(chǔ)的巨磁材料、超小型電子干涉儀所需材料等是21世紀(jì)電

27、子工業(yè)的關(guān)鍵材料，這些材料都具有納米結(jié)構(gòu)。UJS 上圖為IBM的研究人員利用納米技術(shù)制作的硬盤(pán)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量超過(guò)現(xiàn)在硬盤(pán)存儲(chǔ)容量的100倍。從顯微鏡下我們可以觀察到，現(xiàn)在的硬盤(pán)表面上看上去非常雜亂無(wú)章，而IBM發(fā)明的新材料的表面磁化顆粒更小，且排列均勻。 新型納米材料硬盤(pán)，容量增加100多倍UJS左圖為現(xiàn)在存儲(chǔ)器介質(zhì)的表面，IBM發(fā)明的新材料的表面-磁化顆粒更小，且排列均勻UJS IBM的研究人員發(fā)明的這種材料是一種全新的材料，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成極小的磁性顆粒，它們大小相等，每個(gè)只包含1000多個(gè)原子，顆粒按照格子狀結(jié)構(gòu)排列，其中每個(gè)顆粒與鄰近顆粒的距離相等，納米顆粒是鐵和鉑的混合物，全新的制

28、作工藝不但能夠精確地控制顆粒大小，而且還能控制顆粒之間的距離。這兩個(gè)方面對(duì)提高數(shù)據(jù)的密度非常重要。較小的尺寸和均勻的結(jié)構(gòu)兩者有機(jī)地結(jié)合在一起就能進(jìn)一步提高磁性存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)密度。 UJS(2) 磁學(xué)應(yīng)用磁學(xué)應(yīng)用 納米磁性材料是納米材料中最早進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)、至今還充滿活力、具有寬廣應(yīng)用前景的一類人工功能材料之一。1.納米磁記錄材料 磁記錄是信息儲(chǔ)存與處理的重要手段，隨著科學(xué)的發(fā)展，要求記錄密度越來(lái)越高。磁性納米微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性，用它制作磁記錄材料可以改善圖像質(zhì)量。 作為磁記錄單位的磁性粒子的大小須滿足以下條件：顆粒的長(zhǎng)度應(yīng)小于記錄波長(zhǎng)；粒子的寬度（如可能長(zhǎng)度也包

29、括在內(nèi)）應(yīng)該遠(yuǎn)小于記錄深度；一個(gè)單位的記錄體積中，應(yīng)盡可能有更多的磁性粒子。 UJS2.納米巨磁電阻材料 1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤(pán)記錄密度提高了17倍，達(dá)到5Gbit/in2，最近報(bào)道為11Gbit/in2，從而在與光盤(pán)競(jìng)爭(zhēng)中磁盤(pán)重新處于領(lǐng)先地位。 利用巨磁電阻效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點(diǎn)，可以制成隨機(jī)儲(chǔ)存器（MRAM），其優(yōu)點(diǎn)是在無(wú)電源的情況下可繼續(xù)保留信息。巨磁電阻材料應(yīng)用前景非常廣闊。3.新型的磁性液體 磁性液體的主要特點(diǎn)是在磁場(chǎng)作用下，可以被磁化，可以在磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)它又是液體，具有液體的流動(dòng)性。磁性液體的應(yīng)用主要表現(xiàn)為用于旋轉(zhuǎn)軸的

30、動(dòng)態(tài)密封、新的潤(rùn)滑劑、增進(jìn)揚(yáng)聲器功率、作阻尼器件等。 UJS4.納米微晶軟磁材料 納米微晶軟磁材料目前沿著高頻、多功能方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎?yīng)用的各方面，如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻變壓器、扼流圈、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開(kāi)關(guān)、傳感器等。5.納米微晶稀土永磁材料 由于稀土永磁材料的問(wèn)世，使永磁材料的性能突飛猛進(jìn)稀土永磁材已經(jīng)歷了SmCo5、Sm2Co17以及Nb2Fe14B等3個(gè)發(fā)展階段。目前燒結(jié)Nb2Fe14B稀土永磁的磁能積已高達(dá)432KJm-3（54MGOe），接近理論值512KJm-3（64MGOe），并已進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)。進(jìn)一步提高納米永磁材料的性能仍然是當(dāng)前

31、研究工作的熱點(diǎn)。UJS6.納米磁致冷 磁致冷是利用自旋系統(tǒng)磁熵變的致冷方式進(jìn)行制冷的。與通常的壓縮氣體式致冷方式相比較，它具有效率高、功能低、噪音小、體積小、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。UJS(3) 納米催化納米催化1.納米粒子的化學(xué)催化 化學(xué)催化的作用主要可歸結(jié)為3個(gè)方面：一是提高反應(yīng)速度，增加反應(yīng)效率；二是決定反應(yīng)路徑，有優(yōu)良的選擇性，例如只進(jìn)行氫化，脫氫反應(yīng)，不發(fā)生氫化分解和脫水反應(yīng)；三是降低反應(yīng)溫度。納米粒子作為催化劑必須滿足上述的條件。納米粒子的催化作用不僅表現(xiàn)為高活性，而且還提高了化學(xué)反應(yīng)的選擇性。 UJS2.半導(dǎo)體納米粒子的光催化 半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)是指在光的照射下，價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶的

32、孔穴把周?chē)h(huán)境中的烴基電子奪過(guò)來(lái)，短基變成自由基，作為強(qiáng)氧化劑將酯類變化如下：酯醇醛酸CO2，完成了對(duì)有機(jī)物的降解。納米半導(dǎo)體比常規(guī)半導(dǎo)體光催化活性高得多。最近十幾年來(lái)，半導(dǎo)體光催化在應(yīng)用中得到飛快的發(fā)展。UJS常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2(銳鐵礦相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用處：將這類材料做成空心小球，浮在含有有機(jī)物的廢水表面上，利太陽(yáng)光可進(jìn)行有機(jī)物的降解。美國(guó)、日本利用這種方法對(duì)海上石油泄露造成的污染進(jìn)行處理。采用這種方法還可以將粉體添加到陶瓷釉料中，使其具有保潔殺菌的功能，也可以添加到人造纖維中制成殺菌纖維。銳鈦礦白色納米TiO2粒子

33、表面用Cu+、Ag+離子修飾，殺菌效果更好。這種材料在電冰箱、空調(diào)、醫(yī)療器械、醫(yī)院手術(shù)室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。UJS3.納米金屬、半導(dǎo)體粒子的熱催化 金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用。也可以摻雜到高能密度的材料，如炸藥，增加爆炸效率；也可以作為引爆劑進(jìn)行使用。為了提高熱燃燒效率，將金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子摻雜到燃料中，以提高燃燒的效率，因此這類材料在火箭助推器和煤中作助燃劑。 目前，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。 UJS(4) (4) 陶瓷增韌陶瓷增韌 用納米粉體進(jìn)行燒結(jié)，致密化的速度快，還可以降低燒結(jié)溫度，最近用流延法初步制備了添加納米氧化鋁的基板材料，光潔度大大提高，冷熱疲勞、斷裂韌性提高了將近1倍，熱導(dǎo)系數(shù)比常規(guī)氧化鋁的基板材料提高了20%，顯微組織均勻。例如，由納米陶瓷研制結(jié)果觀察到納米級(jí)ZrO2陶瓷的燒結(jié)溫度比常規(guī)的微米級(jí)ZrO2陶瓷燒結(jié)溫度降低了400。 UJS陶瓷增韌陶瓷增韌 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。納米陶瓷UJS(5) 光學(xué)應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用1.紅外反射材料 由金超微粒子沉積在基板上形成的膜可用作紅外線傳感器。金超微粒子膜