纳米尺度的电磁现象1教材

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1、纳米尺度的电磁现象 NatureNature公布公布20012001十大科技成果十大科技成果 纳米电脑列首位纳米电脑列首位 自然杂志资深编缉菲尔-斯祖罗米表示：“尽 管真正意义的微型计算机还需几年时间才能制成，但 纳米技术在计算机领域的应用意味着今后人们的日常 生活将发生巨大的变化，装有纳米计算机芯片的电灯 可以完全实现智能化，根据居室的自然照明情况自动 调节亮度，。” 在研制纳米计算机方面做出很大贡献的研究人员 包括美国哈佛大学的Yu Huang及其同事，他们研制的 微型电线是普通电线的千分之一，可以轻松地安装到 硅芯片上. ScienceScience杂志评出杂志评出20012001年世界

2、年世界 十大科技突破十大科技突破 纳米技术领域获得多项重大成果 继在2000年开发出一批纳米级装置后， 科学家今年再进一步将这些纳米装置连接成 为可以工作的电路，这包括纳米导线、以纳 米碳管和纳米导线为基础的逻辑电路、以及 只使用一个分子晶体管的可计算电路。分子 水平计算技术的飞跃 有可能为未来诞生极微 小但极快速的分子计算机铺平道路。 内容提要内容提要 纳米材料 纳米尺度的电现象 纳米尺度的磁现象 纳米材料纳米材料 纳米材料发展历史 纳米结构单元 纳米材料的基本特性 纳米材料纳米材料发展历史发展历史 诺贝尔奖获得者Feynman在六 十年代曾经预言：如果我们对物体 微小规模上的排列加以某种控

3、制的 话，我们就能使物体得到大量的异 乎寻常的特性，就会看到材料的性 能产生丰富的变化。 1984年德国萨尔兰大学的 Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegel 相继成功地制得了纯物质的纳米细 粉。Gleiter在高真空的条件下将粒 径为6nm的Fe粒子原位加压成形， 烧结得到纳米微晶块体，从而使纳 米材料进入了一个新的阶段。 1985年，英国Kroto等采用激光加 热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇， 质谱分析发现C60和C70的新的谱线. C60具有高稳定性的新奇结构，它是 由32面体构成，其中有20个六边形和12 个五边形所构成 纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂 之后就成为具有金属性

4、的导体，适当的 掺杂成分可以使C60固体成为超导体。 从此，对 C60的研究热潮应运而来。 1990年7月在美国召开的第一届国际纳 米科学技术会议，正式宣布纳米材料科 学为材料科学的一个新分支。 会上正式提出纳米材料学、纳米生物学 、纳米电子学和纳米机械学的概念，并 决定出版纳米结构材料、纳米生 物学和纳米技术的正式学术刊物 。 1994年在美国波士顿召开的 MRS秋季会议上正式提出纳米材 料工程 纳米材料研究的基础上通过纳米 合成、纳米添加发展新型的纳米材料 . 现在，人们关注纳米尺度颗粒、原 子团簇、纳米丝、纳米棒、纳米管 、纳米电缆和纳米组装体系。 纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米 丝或纳

5、米管为基本单元在一维、二 维和三维空间组装排列成具有纳米 结构的体系，如人造超原子体系、 介孔组装体系、有序阵列等。 C纳米管 和C60球 H2原子和C纳米管多层C纳米管 C纳米索线纳米多层管 C脚手架C60晶体管 纳米变阻箱 纳米材料纳米材料发展的三个阶段发展的三个阶段 第一阶段（1990年以前） 主要是在实验室探索用各种手段制备各 种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括 薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米 材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米 颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代 末期一度形成热潮。研究的对象一般局限 在单一材料和单相材料，国际上通常把这 类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。

6、 第二阶段（1994年前） 人们关注的热点是如何利用纳米材料已 挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能， 设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与 纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合 及发展复合材料的合成及物性的探索一度 成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段（从1994年到现在） 纳米组装体系、人工组装合成的纳米 结构的材料体系越来越受到人们的关注，正 在成为纳米材料研究的新的热点。 纳米结构单元纳米结构单元 构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳 米结构的基本单元有下述几种： 团簇 原子团簇是一类新发现的化学物种，是在20 世纪80年代才出现的，原子团簇是指几个至几百 个原子的聚集体（粒径小于或等

7、于 1nm），如 Fen，CunSm，CnHm和碳簇（C60, C70和富勒烯等 ）等。 绝大多数原子团簇的结构不清楚，但已知有 线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等 MgH2 块体鲱骨状 轨道状 层状 Cu分形状多孔状 Au-足球状 洋葱状 纳米微粒 纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的 超细微粒，它的尺度大于原子簇，小于 通常的微粉通常，把仅包含几个到数 百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇” ，它是介于单个原子与固态之间的原子 集合体。纳米微粒一般在 1100nm之间 ，有人称它为超微粒子。纳米微粒是肉 眼和一般显微镜看不见的微小粒子。 日本名古屋大学上田良二给纳米微粒 下了一个定义

8、：用电子显微镜（TIM） 能看到的微粒称为纳米微粒。 145个原子组成的1.9 nm 的半导体 纳米颗粒 人造原子 人造原子（artificial atoms）有时称 为量子点，所谓人造原子是由一定数量 的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸 小于100nm。 从维数来看，包括准零维的量子点 、准一维的量子棒和准二维的量子圆盘 ，甚至把100nm左右的量子器件也看成 人造原子。 Quantum Dots (Quantum Dots (量子点量子点) ) 人造原子与真正原子的差别： 人造原子含有一定数量的真正原子； 人造原子的形状和对称性是多种多样，真正的原 子可以用简单的球形和立方形来描述，而人造

9、原 子不局限于这些简单的形状，除了高对称性的量 子点外，尺寸小于100nm的低对称性复杂形状的 微小体系都可以称为人造原子； 人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂得多 ； 实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人 造原子中电子是处于抛物线形的势阱中。 纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆 早在 1970年法国的奥林大学（University of Orleans）的 Endo首次用气相生长技术制成了直径 为7nm的碳纤维，遗憾的是，他没有对这些碳纤维 的结构进行细致地评估和表征。 1991年，美国海军实验室一个研究组提交一篇 理论性文章，预计了一种碳纳米管的电子结构，但 当时认为近期内不可

10、能合成碳纳米管。 同年同月日本NEC公司饭岛等发现纳米碳管， 立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注。 1996年，美国著名的诺贝尔奖金获得者斯莫利（ Smalley）等合成了成行排列的单壁碳纳米管束，每 一束中含有许多碳纳米管，这些碳纳米管的直径分 布很窄 1991年日本NEC公司 饭岛等发现纳米碳管 ，立刻引起了许多科 技领域的科学家们极 大关注 Nature (1991) 碳纳米管是由多个 碳原子六方点阵的同轴 圆柱面套构而成的空心 小管，其中石墨层可以 因卷曲方式不同而具有 手性。碳纳米管的直径 一般为几纳米至几十纳 米，长度为几至几十微 米。 碳纳米管可以因直径 或手性的不同而呈现

11、很 好的金属导电性或半导 体性。 具有极好的可弯折性 具有极好的可扭曲性 碳纳米管可以制作成两维数据存储系统 (1015 bytes/cm2 compared to the current state of the 108 bytes/cm2) . l。 碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计 可高达5 TPa， 这是目前可制备出的具有最高比强度 的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具 有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的 “超级 纤维”，是复合材料中极好的加强材料。 Another long single carbon nanotube (multiwalled carb

12、on nanotube) attached to 4 gold contacts from above. This time, the inner two contacts are spaced by more than 1 micrometer. 纳米棒、纳米丝和纳米线 准一维实心的纳米材料是指在两维方向 上为纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺 度大得多，甚至为宏观量的新型纳米材料 纵横比（长度与直径的比率）小的称为 纳米棒，纵横比大的称作纳米丝至今，关 于纳米棒与纳米丝之间并没有一个统一的标 准，通常把长度小于 1mm的纳米丝称为纳米 棒，长度大于 1mm的称为纳米丝线半导体 和金属纳米线

13、通常称为量子线 纳米棒 单晶纳米单晶纳米SiCSiC丝丝 的透射电镜形貌的透射电镜形貌 氮化硅纳米丝 SANDWICH Microscopy methods reveal abrupt interfaces in an InAs/InP (green and orange, respectively) nanowire Au nanocontacts The pictures show two different examples of final configurations just before rupture of the contact. 人工组装合成的纳米结构的体系 纳米齿轮 T形

14、和Y形结 宏观量子隧道效应 小尺寸效应 表面效应 纳米材料的特性纳米材料的特性 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 l 电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效 应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗 粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显 示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。 l量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微 电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微 电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进 一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。 l例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸 接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器 件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸

15、大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶体 管就是利用量子效应制成的新一代器件。 l介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒，大 块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级 间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场 能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈 现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之 为量子尺寸效应。 l 例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝 缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数 有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波 长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现 。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子 效应，原有宏观规律已不再成立。 小尺寸效应小尺寸效应 随

16、着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性 质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质 的变化称为小尺寸效应。 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去 了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在 超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑， 银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由 此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低 于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特 性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高 效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应 用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的 ，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于 10纳米量级时尤为显著。 例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到 10纳米尺寸时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为 327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的 熔点可低于100。 因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结 ，此时