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1、纳米材料与纳米光电子器件 孙小松 Mobil phone: 13678017336 e-mail:sunxs-scu 材料科学与工程学院 1 FAQ：物体的颜色 发光体：物体的温度 不发光体(透明体、 不透明体)：吸收和反射 ? ? ? ? 细小的水珠、云霭 超微粉体/超结构材料 2 自然界中五彩斑斓的颜色世界：我们身边的纳米世界 3 科学家的研究兴趣: 茫茫宇宙: 从哪里来到哪里去 4 科学家的研究兴趣 毫厘之间的科学 5 科学家研究的兴趣 宏观大尺寸物体或系统 宇宙：一百亿光年的范围 9 1025 m：现有望远镜观察的 最远距离 了解宇宙的变迁 微观的小尺寸物体或系统 原子及原子的结构 1
2、 109 m：现有显微镜观察的最 小离距 了解原子的结构 Nano-science and technology 天体物理学纳米科学与技术 6 纳米科学与技术(nano science and technology, Nano ST) 被认为是21世纪最具有突破性的研究领域。纳米科学与 技术将改变几乎每一种人造物体的性能，或开发出现有 物质的不为人知的人们所期待的常规条件下的不具有 的性质。 纳米晶铜带的超常延展性：5100% 纳米晶金属微粒：金属的特有光泽将不复存在 纳米碳管：优于金属的超强度，被美国前总统克 林顿预言为用于修筑从地球到月亮的 天梯的材料 纳米材料的特有性质：量子尺寸效应、表
3、面效 应、小尺寸效应 7 There is plenty of rooms at the bottom：Can we put the encyclopedia on the bottom of the needle? 一个针尖大约是1/15英寸，把它作为直径放大 25000倍，放大后的面积与大英百科全书的全部页数 相同，因此只要书写时缩小25000倍即可。人眼的分 辨率约为1/120英寸，约等于大英百 科全书印刷的一个亮/暗点。将它缩 小25000倍，约8nm，可排列32个金 属原子，以一个印刷点包含1000个 原子计，这是可以做到的。 纳米材料应用的一个精彩预言 1959年 费曼 8 纳米：
4、nanometer，nm，一个长度单位 1 nm = 109 m 纳米材料：材料的尺寸在某个方向上的尺寸为纳米 的量级。 零维纳米材料：量子点，纳米颗粒 一维纳米材料：纳米管、纳米线、纳米棒 二维纳米材料：超晶格结构 三位纳米材料：纳米颗粒的三维周期性排列 量子点 纳米管、线、棒 超晶格结构 9 波的传播：自由的转播空间，波长不受限制 波的传播：有限的传播空间， 波长受到限制，只有一部分 波长的波存在并得以传播， 导致能量的不连续性 10 纳米粒子内部电子运动的特征 物质的一般特性：波粒二相性 德布罗意波的波长： = 4hme/p2 能量的不连续性： 微观粒子的能量：E = n222/2ma2
5、 波函数(r)描写微观粒子的运动 11 R dR dV = 4 R2 dRV = R3 4 3 原子的分布：均匀分布，原 子的数量 体积 表面原子的数量占总原子 量的百分比 = 表面体积占 总体积的百分比 = dV/V = 3dR/R 表面层的厚度约为 dR 5 表面原子数与材料尺寸的关系 12 结论：1. 随着材料尺寸的减小，表面原子 数占总原子数的比例增加。 纳米粒子 半径 R 153060120 表面原子/ 体原子(表 比,D) 100%50%25%12.5% 宏观物体的表比：R1mm，D 1.5106 2. 宏观物体的性质主要由体原子的性质决 定，纳米材料的性质主要有表面原子决定。 1
6、3 铜 纳米粉/体材料物性的对比 镍 锰 14 纳米粉/体材料物性的对比 碳的燃烧 金属氧化 高温和氧环境 纳米碳粉的燃烧 纳米金属粉氧化 常温和氧环境 表面性质的巨大差异 15 纳米材料的制备方法：原理与技术 pumping catalyst graphite collector 物理气象沉积法制备纳米材料：电弧放电，高熔点物质 C60 16 纳米材料的制备方法：原理与技术 物理气象沉积法制备纳米材料：激光蒸发，高熔点物质 Laser Collector Thermal couple Gas out Cooling water Gas in 17 化学气象沉积法制备纳米材料：热丝CVD Ga
7、s in Gas out Hot filament 气相反应物 纳米材料的制备方法：原理与技术 18 化学气象沉积法制备纳米材料：微波CVD Gas in Gas out precursors 难分解的物质 纳米材料的制备方法：原理与技术 substrate 19 纳米材料的制备方法：化学法原理与技术 电化学制备纳米材料：Elec-Chem Etching 溶胶-凝胶法制备纳米材料：Sol-Gel A Power supply + Porous silicon Porous Al2O3 化学溶胶化学凝胶 高温脱水/去处溶剂 固化 20 纳米材料实验室制备 1. CVD法制备ZnO 纳米棒：制备
8、原理纳米材料的自 组装生长 N2N2 ZnO-graphite Si wafers 1m 硅衬底 ZnO 纳米线 Zn CO Au 半导体光电2005.8，SUN 21 N2 + NH3 Gas out Au coated Si wafers Gallium N2 Ammonia 2CVD法制备GaN纳米棒：制备原理、自组装生长 的纳米材料 Au particle Si substrate (a) Au-Ga alloy Si substrate Ga (c) Ga Ga Ga Si substrate GaN NH3Ga Au-Ga alloy (d) NH3Ga Z. Yu, Z. M.
9、Yang, S. Wang, Y. Jin, J. G. Liu, M. Gong, X. S. SUN, Chemical Vapor Deposition 2005, 11, 433 纳米材料实验室制备 22 3CVD法制备碳纳米管：制备原理、自组装生长的 纳米材料 Ar Ar Excimer laser collector 纳米材料实验室制备 23 4.PVD法制备硅纳米线：制备原理、自组装生长的 纳米材料 Ar Ar Excimer laser collector A.M. Morales, C. M. Lieber, Science 1998, 279, 208; 纳米材料实验室制备
10、 24 5.MBE法制备纳米材料：制备原理、自组装生长的 纳米材料 可制备的纳米材料： 化合物纳米材料 ZnO纳米棒 TiO2，GaAs 纳米材料 纳米材料实验室制备 25 6.液相法制备纳米材料：制备原理、自组装生长的 纳米材料 Model describing the growth of self-assembled SiO Fe YH.Tang et al Adv. Mater. 2005 纳米材料实验室制备 26 7.液相法制备纳米材料：纳米材料的自组装生长 (unpublished) 纳米材料实验室制备 27 8.纳米材料的制备：原子级的操控技术，纳米材 料的人工装生长 纳米材料实验
11、室制备 28 神奇的纳米世界 1A实验室中的纳米世界：Fe/Cu(111) 29 神奇的纳米世界 1B实验室中的纳米世界：Fe/Cu(111) F2 F1 O Fe原子Fe原子的像 30 2A自然界中的纳米世界 美丽的孔雀 神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界 31 2B自然界中的纳米世界 孔雀眼的纳米结构 神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界 32 神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界 33 神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界 34 神奇的纳米世界：水上溜冰者 35 神奇的纳米世界：天生的蝙蝠侠 36 纳米材料的应用 3. 功能材料/复合功能材料：碳纤维/纳米碳管 37 4. 纳米电子器件设计原理
12、 电子器件的基本结构：PN结 PN + - - - - - - + + + + K 电子器件的基本结构：FET结构 +- 纳米材料的应用 38 5. 纳米电子器件雏形 +- 纳米线 纳米材料的应用 39 6. 单电子晶体管器件雏形 电极 电极 绝缘层 电极 电极 +ee 电极 电极 电极 电极 e 2 e + 2 2 e + 2 e IIIIII 纳米材料的应用 40 7. 纳米器件雏形 纳米材料的应用 纳米存储器与DNA开关原理 纳米传动机械原理 纳米微振 荡装置 41 纳米洗衣机 纳米冰箱 纳米布料 纳 米 材 料 ? 纳米材料的应用 42 科学发现的偶然性与必然性 1碘的发现 ：法国化学
13、家库特瓦(Courtois,B.1777- 1838)在燃烧海藻的灰烬中发现了碘。 2溴的发现：想当然李比希和认真的巴拉尔。 法国化学家巴拉尔(Balard,A.J.1802-1876)在燃烧海藻的 灰烬中发现了溴(Br)。 3一代巨匠：德国化学家李比希(Liebig,U.1803-1873)染 料化学和染料工业奠定基础的霍夫曼、发现卤代烷和金属 钠作用制备烃的武慈、提出苯环状结构学说为有机结构理 论奠定坚实基础而被誉为“化学建筑师”的凯库勒，以及 被门捷列夫誉为“俄国化学家之父”的沃斯克列先斯基等 。化学教育模式 。 43 S. Iijima教授的遗憾 1976年，在美国西北大学做博士后 的
14、S. Ijima 无法解释的结构 44 C60的发现 1985年 柯尔、斯莫利和克罗托 45 C60的发现 + 柯尔、斯莫利和克罗托 在研究石墨电极电弧放 电的产物时 46 碳纳米管的发现 1991年，日本NEC公司的饭岛(S. Iijima) 教授用高分辨电镜研究石墨棒放电所形 成的阴极沉积物时1，发现了直径为4- 30nm，长度约为几十微米的碳纳米管， 并证明碳纳米管中的石墨层可以因卷曲 方式不同而具有手性。 S. Ijima, Nature, 1991, 354, 56 47 小结 跟踪外国人学，不如学习自然 纳米材料的研究方兴未艾，纳米材料的制备 与应用技术层出不穷。 纳米材料：材料的某一个方向的尺度在纳 米的量级(109 m) 纳米材料的应用：各种新型电子、光电子 器件，结构材料性能改性 参考书：纳米材料和纳米结构（张立德，牟季美） 纳米材料和器件（朱静） 纳米材料制备技术（王世敏、许祖勋、傅晶） 48
