納米技術(shù)講座.ppt

1、納米材料綜述,李國柱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。“納米”是長度單1nm=10-9m，即1納米等于十億分之一米，大約等于10個氫原子并排起來的長度，相當(dāng)于萬分之一頭發(fā)的粗細。納米正好處于原子、分子為代表的微觀世界和以人類活動空間為代表的宏觀世界的中間地帶，被稱為介觀世界。,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燃燒,無機的納米粒空子暴露在空氣中會吸附,并與氣體進行反應(yīng)。,1.2小尺寸效應(yīng),當(dāng)超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時,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 宏觀量子隧道效應(yīng),微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近

3、年來,人們發(fā)現(xiàn)了一些宏觀量,例如微顆粒的磁化強度,量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng),稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限。,1.4量子尺寸效應(yīng),當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時,金屬費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(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而使能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(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)將會是未來微電子器件的基礎(chǔ),或者它確立

4、了現(xiàn)存微電子器件進一步微化的極限。當(dāng)微電子器件進一步細微化時,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散途徑。因此,與單晶材料相比,納米結(jié)構(gòu)具有較高的擴散率。較高的擴散率對蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響,可以在較低的溫度對材料進行有效的摻雜,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)是研究在千萬分之一米(10-8m)到億分之一米(10-9m)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運動和變化的學(xué)問；同時在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子或原子團、分子團進行操縱和加工使其形成所需

5、要的物質(zhì)稱為納米技術(shù)。,納米科學(xué)技術(shù)是研究在千萬分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運動和變化的學(xué)問；同時在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工又被稱為納米技術(shù)。,納米科學(xué)技術(shù)是研究在千萬分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運動和變化的學(xué)問；同時在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工又被稱為納米技術(shù)。,人類對納米技術(shù)的研究已有了40多年的歷史。1959年，美國著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎金獲得者理查德費曼認為：能夠用宏觀的機器來制造比其體積小的機器，而這較小的,納米技術(shù)的發(fā)展,機器又可制作更小的機器，這樣一步步

6、達到分子線度。,費曼幻想在原子和分子水平上操縱和控制物質(zhì)。他認為：“物理學(xué)的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物質(zhì)的可能性”，并表示： “我深信不移，當(dāng)人們能操縱細微物質(zhì)的時候，將可獲得極其豐富的新的物質(zhì)的性質(zhì)。” 費曼對納米技術(shù)的最早夢想，成為 一 個光輝的起點，人類開始了對納米世界的探求。,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)過軋制，其長度可以從1cm延伸到100cm，其厚度可以從1mm減小到0.01mm。,1990年美國

7、商業(yè)機器公司借助掃描隧道顯微鏡，在一小片鎳晶體上用35個氙原子寫出了該公司名稱的縮寫字母“IBM”，,轟動全球。從此開創(chuàng)了一個嶄新的納米世界。,1991年元旦前夕，日本日立電子公司向公眾展示了一個原子大小的新年祝詞“peace91”（和平91）。每個字母的高度均小于1.5納米，它是把硫原子一個一個地從二硫化鉬晶體上轟擊出來寫成的。美國商業(yè)機器公司的“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,納米級微縮圖象 1992年，日本電信電話公司在銀-硒合金表面上以單個原子的線條畫出愛因斯坦肖像。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級臺階，每級2個原子高，其底邊長僅為48納米和36納米。原子級線條的繪制成功，意味著可將2 000冊雜志的文章濃縮在一個句點符號內(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、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(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,納米級微電子元件 日本日立中心實驗室利用半導(dǎo)體材料砷化鎳，率先開發(fā)新一代微電子元件。這些電子元件呈細長的鬃狀結(jié)晶形，粗僅20納米，可使計算機的計算速度、通訊用發(fā)光元件的效率數(shù)十、數(shù)百倍地提高。,超微型計算機 隨

10、著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成度越來越高，計算機信息存儲芯片越來越小，而存儲量卻越來越大，信息容量比現(xiàn)有光盤高100萬倍，整個美國國會圖書館的圖書都能存儲在一個糖塊大小的芯片中。,1994年，IBM公司研制成新型巨磁電阻效應(yīng)讀出磁頭，將磁盤的記錄密度提高了17倍。,目前，在硬盤的驅(qū)動器上已經(jīng)開始使用這項技術(shù)，產(chǎn)值已超過100億美元年。,超微型電動機 1994年世界最小的電動機在美國6家科研單位的通力協(xié)作下完成，這架電動機主軸的直徑僅有2103nm，體積只有一個紅血球那么大。,返回,雖然分子計算機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算機的組件，其中細菌視紫紅質(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)特性可用于儲存信息，從而起到代替當(dāng)今計算機信息處理和信息存儲的作用。,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放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察。,除了能提高效率以外，無能量閾納米激光器的運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，這類裝置可以實現(xiàn)瞬時開關(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。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化合物等的分離和濃縮，用于電池電極、化學(xué)成分探測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。如

13、果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，作為監(jiān)測和診斷疾病的手段。,科學(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。這樣，在不久的將來，被視為當(dāng)今疑難病癥的愛滋病、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，該算盤的算珠由球狀的C60分子構(gòu)成。美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員利用納米碳管制成了一種嶄新的納米秤，能夠稱出一個石墨微粒的重量，并預(yù)言該秤可以用來稱取病毒的重量。

14、,返回,超微型機械 美國華盛頓大學(xué)制成直徑僅有1104nm的金屬齒輪，兩個齒輪咬合在一起還不足一根人發(fā)的寬度。它可以用于微型機械、微型機器人、微型汽車、微型飛機的制造。用微型部件組裝的汽車可以只有一粒米大小；用微型部件組裝的飛機可以只有一粒花生米大小。,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，美國西北大學(xué)工程學(xué)院開發(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。,利用先進的納米技術(shù)，在不久的將來，可制成含有納米電腦的可人-機對話并具有自我復(fù)制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億個操作動作。在軍事方面，利用昆蟲作平臺，把分子機器人植入昆

15、蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報，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。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實。,另外，還可利用碳納米管來制作儲氫材料，用作燃料汽車的燃料儲備箱。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；利用具有強紅外吸收能力的納米復(fù)合體系來制備紅外隱身材料，都是很具有應(yīng)用前景的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。,目前，在納米領(lǐng)域，美國、日本、德國的技術(shù)處于領(lǐng)先地位。我國緊跟其后，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)今世界各國的科學(xué)家以及產(chǎn)業(yè)界都認識到納米技術(shù)將會成為高新技術(shù)，因此很多國家均投入了大量的資金和研究人員。