納米技術(shù)講座.ppt

1、納米材料綜述,李國(guó)柱112401,一:納米納米材料是當(dāng)今材料學(xué)科發(fā)展領(lǐng)域最重要的前沿研究課題?！凹{米”是長(zhǎng)度單1nm=10-9m，即1納米等于十億分之一米，大約等于10個(gè)氫原子并排起來(lái)的長(zhǎng)度，相當(dāng)于萬(wàn)分之一頭發(fā)的粗細(xì)。納米正好處于原子、分子為代表的微觀(guān)世界和以人類(lèi)活動(dòng)空間為代表的宏觀(guān)世界的中間地帶，被稱(chēng)為介觀(guān)世界。,二:納米材料的性質(zhì),1.表面效應(yīng) 2.小尺寸效應(yīng) 3.宏觀(guān)量子隧道效應(yīng) 4.量子尺寸效應(yīng) 5.納米材料奇特的物理性能,1.1 表面效應(yīng),納米微粒尺寸小,表面能高,位于表面原子占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小,表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小,表面積急劇變大所致。由于表面原子數(shù)增多,原

2、子配位不足及高的表面能,使這些表面原子具有高的活性,極不穩(wěn)定,很容易與其它原子結(jié)合。例如:金屬的納米粒子在空氣中會(huì)燃燒,無(wú)機(jī)的納米?？兆颖┞对诳諝庵袝?huì)吸附,并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。,1.2小尺寸效應(yīng),當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí),晶體周期性的邊界條件將被破壞;非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小,導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等待性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。例如:光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移;磁有序態(tài)向磁無(wú)序態(tài)的轉(zhuǎn)變;超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變;聲子譜發(fā)生改變。,1.3 宏觀(guān)量子隧道效應(yīng),微觀(guān)粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱(chēng)為隧道效應(yīng)。近

3、年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)了一些宏觀(guān)量,例如微顆粒的磁化強(qiáng)度,量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng),稱(chēng)為宏觀(guān)的量子隧道效應(yīng)。宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及實(shí)用都有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤(pán)進(jìn)行信息貯存的時(shí)間極限。,1.4量子尺寸效應(yīng),當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí),金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象以及納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低軌道能級(jí)而使能隙變寬現(xiàn)象均稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。 量子尺寸效應(yīng)直接解釋了納米粒子特別的熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量以及超導(dǎo)態(tài)的凝聚能等一系列的與宏觀(guān)特性有著顯著不同的特性。量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子器件的基礎(chǔ),或者它確立

4、了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微化的極限。當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí),必須要考慮上述的量子效應(yīng)。,1.5 納米材料奇特的物理性能,奇特的光學(xué)特性 擴(kuò)散及燒結(jié)性能：由于在納米結(jié)構(gòu)材料中有大的界面,這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。因此,與單晶材料相比,納米結(jié)構(gòu)具有較高的擴(kuò)散率。較高的擴(kuò)散率對(duì)蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響,可以在較低的溫度對(duì)材料進(jìn)行有效的摻雜,可以在較低溫度使不混溶金屬形成新的合金相。,納米技術(shù)納米科學(xué)技術(shù)是研究在千萬(wàn)分之一米(10-8m)到億分之一米(10-9m)內(nèi)，原子、分子和其它類(lèi)型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的學(xué)問(wèn)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子或原子團(tuán)、分子團(tuán)進(jìn)行操縱和加工使其形成所需

5、要的物質(zhì)稱(chēng)為納米技術(shù)。,納米科學(xué)技術(shù)是研究在千萬(wàn)分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內(nèi)，原子、分子和其它類(lèi)型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的學(xué)問(wèn)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱和加工又被稱(chēng)為納米技術(shù)。,納米科學(xué)技術(shù)是研究在千萬(wàn)分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內(nèi)，原子、分子和其它類(lèi)型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的學(xué)問(wèn)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱和加工又被稱(chēng)為納米技術(shù)。,人類(lèi)對(duì)納米技術(shù)的研究已有了40多年的歷史。1959年，美國(guó)著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者理查德費(fèi)曼認(rèn)為：能夠用宏觀(guān)的機(jī)器來(lái)制造比其體積小的機(jī)器，而這較小的,納米技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器又可制作更小的機(jī)器，這樣一步步

6、達(dá)到分子線(xiàn)度。,費(fèi)曼幻想在原子和分子水平上操縱和控制物質(zhì)。他認(rèn)為：“物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物質(zhì)的可能性”，并表示： “我深信不移，當(dāng)人們能操縱細(xì)微物質(zhì)的時(shí)候，將可獲得極其豐富的新的物質(zhì)的性質(zhì)?！?費(fèi)曼對(duì)納米技術(shù)的最早夢(mèng)想，成為 一 個(gè)光輝的起點(diǎn)，人類(lèi)開(kāi)始了對(duì)納米世界的探求。,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在納米的世界里，物質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。比如硅晶體是不發(fā)光的，但納米硅卻會(huì)發(fā)光；陶瓷在通常情況下是很硬、很脆的，如果采用納米粉體制成納米陶瓷，它也可以具有韌性；納米材料還具有超塑性，室溫下的納米銅絲經(jīng)過(guò)軋制，其長(zhǎng)度可以從1cm延伸到100cm，其厚度可以從1mm減小到0.01mm。,1990年美國(guó)

7、商業(yè)機(jī)器公司借助掃描隧道顯微鏡，在一小片鎳晶體上用35個(gè)氙原子寫(xiě)出了該公司名稱(chēng)的縮寫(xiě)字母“IBM”，,轟動(dòng)全球。從此開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的納米世界。,1991年元旦前夕，日本日立電子公司向公眾展示了一個(gè)原子大小的新年祝詞“peace91”（和平91）。每個(gè)字母的高度均小于1.5納米，它是把硫原子一個(gè)一個(gè)地從二硫化鉬晶體上轟擊出來(lái)寫(xiě)成的。美國(guó)商業(yè)機(jī)器公司的“IBM”是在-263下拼出的，而日立公司的祝詞則是在室溫下完成的。該成就表明，納米技術(shù)從此步入了實(shí)用階段。,納米技術(shù)應(yīng)用,1 、納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用2 、納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用3 、納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用 4 、納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的

8、應(yīng)用5 、納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用6 、納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用7 、納米技術(shù)在分子組裝方面的應(yīng)用8、納米技術(shù)在其它方面的應(yīng)用,納米級(jí)微縮圖象 1992年，日本電信電話(huà)公司在銀-硒合金表面上以單個(gè)原子的線(xiàn)條畫(huà)出愛(ài)因斯坦肖像。同年10月，“日立”公司又將硅原子排列成立體金字塔。由原子壘起的金字塔共18級(jí)臺(tái)階，每級(jí)2個(gè)原子高，其底邊長(zhǎng)僅為48納米和36納米。原子級(jí)線(xiàn)條的繪制成功，意味著可將2 000冊(cè)雜志的文章濃縮在一個(gè)句點(diǎn)符號(hào)內(nèi)。,陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。隨著納米技術(shù)的廣

9、泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來(lái)克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國(guó)材料學(xué)家指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。,雖然納米陶瓷還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但其優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用，并在許多超高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。,返回,納米級(jí)微電子元件 日本日立中心實(shí)驗(yàn)室利用半導(dǎo)體材料砷化鎳，率先開(kāi)發(fā)新一代微電子元件。這些電子元件呈細(xì)長(zhǎng)的鬃狀結(jié)晶形，粗僅20納米，可使計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、通訊用發(fā)光元件的效率數(shù)十、數(shù)百倍地提高。,超微型計(jì)算機(jī) 隨

10、著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成度越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)芯片越來(lái)越小，而存儲(chǔ)量卻越來(lái)越大，信息容量比現(xiàn)有光盤(pán)高100萬(wàn)倍，整個(gè)美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館的圖書(shū)都能存儲(chǔ)在一個(gè)糖塊大小的芯片中。,1994年，IBM公司研制成新型巨磁電阻效應(yīng)讀出磁頭，將磁盤(pán)的記錄密度提高了17倍。,目前，在硬盤(pán)的驅(qū)動(dòng)器上已經(jīng)開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)，產(chǎn)值已超過(guò)100億美元年。,超微型電動(dòng)機(jī) 1994年世界最小的電動(dòng)機(jī)在美國(guó)6家科研單位的通力協(xié)作下完成，這架電動(dòng)機(jī)主軸的直徑僅有2103nm，體積只有一個(gè)紅血球那么大。,返回,雖然分子計(jì)算機(jī)目前只是處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生

11、物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲(chǔ)存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用。,返回,納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察。,除了能提高效率以外，無(wú)能量閾納米激光器的運(yùn)行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光，這類(lèi)裝置可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)開(kāi)關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開(kāi)關(guān)，適合用于光纖

12、通信。,返回,納米粒子作為光催化劑，有著許多優(yōu)點(diǎn)。首先是粒徑小，比表面積大,光催化效率高。 將金屬納米粒子摻雜到化纖制或紙張中，可以大大降低靜電作用。利用納米微粒構(gòu)成的海綿體狀的輕燒結(jié)體，可用于氣體同位素、混合稀有氣體及有機(jī)化合物等的分離和濃縮，用于電池電極、化學(xué)成分探測(cè)器及作為高效率的熱交換隔板材料等。納米微粒還可用作導(dǎo)電涂料，用作印刷油墨，制作固體潤(rùn)滑劑等。,返回,隨著納米技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)上該技術(shù)也開(kāi)始嶄露頭腳。研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體，其線(xiàn)度在1520nm之間，并且生物體內(nèi)的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動(dòng)。如

13、果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個(gè)部位，作為監(jiān)測(cè)和診斷疾病的手段。,科學(xué)家們?cè)O(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè)、診斷，并實(shí)施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。這樣，在不久的將來(lái)，被視為當(dāng)今疑難病癥的愛(ài)滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一次革命。,返回,1996年，IBM公司利用分子組裝技術(shù)，研制出了世界上最小的納米算盤(pán)，該算盤(pán)的算珠由球狀的C60分子構(gòu)成。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究人員利用納米碳管制成了一種嶄新的納米秤，能夠稱(chēng)出一個(gè)石墨微粒的重量，并預(yù)言該秤可以用來(lái)稱(chēng)取病毒的重量。

14、,返回,超微型機(jī)械 美國(guó)華盛頓大學(xué)制成直徑僅有1104nm的金屬齒輪，兩個(gè)齒輪咬合在一起還不足一根人發(fā)的寬度。它可以用于微型機(jī)械、微型機(jī)器人、微型汽車(chē)、微型飛機(jī)的制造。用微型部件組裝的汽車(chē)可以只有一粒米大小；用微型部件組裝的飛機(jī)可以只有一?；ㄉ状笮?。,超微型環(huán)狀激光器 在制導(dǎo)與反導(dǎo)彈防衛(wèi)系統(tǒng)上，美國(guó)西北大學(xué)工程學(xué)院開(kāi)發(fā)的超微激光器，形狀似指環(huán)，直徑僅有1104nm，不僅具有大型激光器的功能，而且攜帶方便，效果更佳。,利用先進(jìn)的納米技術(shù)，在不久的將來(lái)，可制成含有納米電腦的可人-機(jī)對(duì)話(huà)并具有自我復(fù)制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億個(gè)操作動(dòng)作。在軍事方面，利用昆蟲(chóng)作平臺(tái)，把分子機(jī)器人植入昆

15、蟲(chóng)的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲(chóng)飛向敵方收集情報(bào)，使目標(biāo)喪失功能。,利用納米技術(shù)還可制成各種分子傳感器和探測(cè)器。利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料。將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中，并通過(guò)一定的機(jī)制來(lái)激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。,另外，還可利用碳納米管來(lái)制作儲(chǔ)氫材料，用作燃料汽車(chē)的燃料儲(chǔ)備箱。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應(yīng)研制高靈敏度的磁傳感器；利用具有強(qiáng)紅外吸收能力的納米復(fù)合體系來(lái)制備紅外隱身材料，都是很具有應(yīng)用前景的技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。,目前，在納米領(lǐng)域，美國(guó)、日本、德國(guó)的技術(shù)處于領(lǐng)先地位。我國(guó)緊跟其后，處于第二階梯的前列。其中，納米碳管技術(shù)處于世界一流水平，比如大面積定向碳管的合成、超長(zhǎng)納米碳管的制備等。,用納米碳管建成的地月載人電梯構(gòu)想圖,納米技術(shù)的發(fā)展和前景 當(dāng)今世界各國(guó)的科學(xué)家以及產(chǎn)業(yè)界都認(rèn)識(shí)到納米技術(shù)將會(huì)成為高新技術(shù)，因此很多國(guó)家均投入了大量的資金和研究人員。