納米科學(xué)與納米技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用1.ppt

1、納米科學(xué)與納米技術(shù)：進(jìn)展與應(yīng)用,徐學(xué)文 2011.06.24,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feyneman在六十年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材料。,納米科學(xué)與技術(shù)概念的提出,“納米”是長(zhǎng)度單位，1nm=10-9m。 “納米”是英文namometer譯名。另一種說法，“納米”一詞源自拉丁文“NANO”，“矮小”的意思。納米正好處于原子、分子為代表的微觀世界和以人類活動(dòng)空間為代表的宏觀世界的中間地帶，被稱為介觀世界。,納米,納米尺度,納米科學(xué)與技術(shù),納米科學(xué)：研究與發(fā)現(xiàn)納米尺度(

2、1100 nm)材料的新行為與新性能。 納米技術(shù)：將納米尺度的新研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于實(shí)際的方法和途徑。,碳納米管的發(fā)現(xiàn),飯島澄男(Iilijima Sumio)分別在1991和1993年發(fā)表論文 “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ” “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。,碳納米結(jié)構(gòu),單層碳納米結(jié)構(gòu)示意圖,單壁碳納米管的STM和TEM圖

3、像，以及單壁碳納米管森林掃描圖片,納米技術(shù)的發(fā)展STM、AFM和TEM,實(shí)現(xiàn)了原子層次的觀察和操控。,納米材料的分類,團(tuán)簇 多達(dá)50個(gè)單元(原子或者反應(yīng)性分子)的集合。團(tuán)簇化合物是指被配體外殼包圍的部分，配體外殼能夠隔離分子。 膠體 含11000nm范圍內(nèi)的穩(wěn)定的液相。 納米晶 在納米尺度范圍內(nèi)的單晶固體粒子。 納米結(jié)構(gòu) 任何納米尺度范圍內(nèi)的固體材料，三維為納米粒子，二位為納米薄膜，一維為納米線(納米管)。 量子點(diǎn) 至少在一維尺度上顯示出尺寸量子效應(yīng)的粒子。,CoP納米棒的透射電鏡照片。,NiS納米棒與納米三角形TEM圖片。,BaCO3納米線的透射電鏡圖片。,金納米晶構(gòu)成的陣列。,雙壁碳納米管

4、的透射電鏡圖片。,納米金剛石包覆的單壁碳納米管的掃描電鏡照片。,納米材料的特性,大的比表面效應(yīng) 小尺寸效應(yīng) 宏觀量子隧道效應(yīng),球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積體積）與直徑成反比。 隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。 直徑大于 0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)顆粒尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長(zhǎng)，甚至1克納米顆粒表面積的總和可高達(dá)100平方米，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的。 利用表面活性，納米顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)

5、材料。,大的比表面效應(yīng),大的比表面效應(yīng),金納米顆粒的熔點(diǎn)與粒徑之間的關(guān)系曲線。,隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)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)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。 光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于l %，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料

6、，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。,小尺寸效應(yīng),小尺寸效應(yīng),直徑從1.7(藍(lán))到6.0(紅)nm的CdS-CdSe納米顆粒的熒光。,直徑分別為22、48和99nm的金納米球的吸收光譜。,特殊的力學(xué)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，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)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗?/p>

7、是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬-陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。 特殊的熱學(xué)性能、磁學(xué)性能、超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等。,小尺寸效應(yīng),小尺寸效應(yīng),微米級(jí)與納米級(jí)Cu的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。,(a)相同條件下制備的純的Al2O3試樣和Al2O3/BNNT復(fù)合材料試樣在1450 oC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)0.5 wt%的BNNT增強(qiáng)的Al2O3復(fù)合材料試樣在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。,宏觀量子隧道效應(yīng),量子尺寸效應(yīng) 原子模型與量子力學(xué)已用能級(jí)的概念進(jìn)行了合理的解釋，對(duì)介于原子、分子與大塊固

8、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。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。,宏觀量子隧道效應(yīng),量子隧道效應(yīng) 電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量

9、等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。 量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。 例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無(wú)法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧道晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。,金屬和絕緣體能帶結(jié)構(gòu)隨尺寸的變化。,納米材料的制備方法,固相方法： 機(jī)械球磨法、激光燒蝕法等 液相方法： 水熱法、溶劑熱法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等 氣相方法： 化學(xué)氣相沉積(

10、CVD)、分子束外延、磁控濺射等,開口雙壁碳納米管的生長(zhǎng)過程示意圖。,實(shí)例1：溶劑熱法制備CdS納米粒子的表征,實(shí)例2：基于ZnO納米陣列的納米發(fā)電機(jī),在c軸取向的-Al2O3基片上通過VLS(vapor-liquid-solid)機(jī)制制備的ZnO納米線陣列，以Au為催化劑。,通過ZnO納米線將納米機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖。A)在-Al2O3基片上生長(zhǎng)的ZnO納米線的掃描照片；B)ZnO納米線的透射照片；C)以導(dǎo)電性的原子力顯微鏡(AFM)探針使ZnO納米線產(chǎn)生變形，從而根據(jù)壓電效應(yīng)產(chǎn)生電流的示意圖。,Wang ZL, Song JH. Science, 2006, 312: 242,有序

11、壓電ZnO納米線陣列的電-機(jī)械耦合放電過程。A) ZnO納米線的AFM照片；B)在AFM探針作用下的電壓拓?fù)鋱D；C)AFM探針掃過ZnO納米線陣列產(chǎn)生電壓的線形圖；D)AFM拓?fù)鋱D(red)和輸出電壓圖(blue),最大電壓與最大變形對(duì)應(yīng)；E)以另一種AFM掃描速度得到的輸出電壓信號(hào)的線形圖；F)AFM探針作用后，ZnO納米線響應(yīng)示意圖。,超聲驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)。A)納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，在聚合物和固體基片上生長(zhǎng)的ZnO納米線陣列上覆蓋了一層Z型電極；B)生長(zhǎng)在GaN基片上ZnO納米線陣列，以Au作為催化劑；C)在電極上覆蓋200nm的Pt后經(jīng)過激光刻蝕得到的不均勻Z型電極表面；D)納米發(fā)電機(jī)截面的掃描照片圖。,Wang XD, Song JH, Liu J, Wang ZL. Science, 2007, 316: 102,超聲驅(qū)動(dòng)下ZnO納米線發(fā)生變形，從而由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電壓的示意圖。,不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓。,納米材料的應(yīng)用,力學(xué)增強(qiáng)、增韌 納米電子學(xué)和微電子學(xué) 大容量存儲(chǔ)技術(shù)、生物電腦等 納米生物學(xué)與納米醫(yī)學(xué) 納米馬達(dá)、人工關(guān)節(jié)、靶向藥物、疾病診斷 納米光電子學(xué) 吸波材料(隱形飛機(jī))、超分辨納米孔徑雷達(dá)、熒光材料 納米化學(xué)與光催化 TiO2光催化劑(降解有機(jī)物和裂解水制氫)、納米多孔結(jié)構(gòu)、納米