纳米科学技术简介

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1、纳米材料与纳米技术 Nanomaterials & Nano-ST 材料科学与工程学院 胡路阳 选矿楼203房间 Tel: 18715549812 E-mail: 考查课，共32学时（10-17周）。计划：教师讲授学时：26学时学生发言讨论：6学时成绩评定：课堂出勤、平时作业、发言讨论、期末成绩课程安排作业要求：每章结束，每人上交一份该章内容总结报告。 参考书： 1、纳米技术与纳米材料，张志焜、崔作林著 ，国防工业出版社，2000 2、纳米材料与纳米结构，张立德等著，科学 出版社，2001 3、纳米材料和器件，朱静等著，清华大学出 版社，2003 4、国外著名杂志：Science, Natur

2、e, Nat. Mater., Nat. Nanotech., Angew. Chim. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Letters 第1章 绪论（纳米材料与纳米技术简介）（4 ） 第2章 纳米材料性质 （4） 第3章 纳米粉体制备 （6） 第4章 一维纳米材料碳纳米管（2） 第5章 纳米固体材料（6） 第8章 纳米材料与纳米技术的应用（4 + 讨论 ）依托于教材但不局限于教材。课程内容 第一章 绪论目的：了解纳米科技的基本内涵、发展历史、最新进 展和趋势。 重点：1、掌握基本概念介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米组装体系

3、、自上而下(Top-down)、自下而上 (Bottom-up)。2、纳米科技的的研究内容。3、纳米材料与传统材料的差别。4、纳米科技的前沿动态。 难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。 美国卢克斯研究公司2005调查报告 : 2004年美国联邦政府在纳米技术领域 投入了10亿美元，各州又另外投入了4亿 美元。 迄今只有很少一些纳米技术产品走向 市场，也几乎没有盈利，但对纳米技术 的前景保持乐观。 1997年各国政府对纳米技术的投入总 计不到5亿美元，到2003年就增长到35亿 美元。引言 “纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家 研究委员会在向国会提交的有关美国“国家纳 米科技计划

4、”的一份评估报告中表示，美国纳 米科技研究继续在国际上保持领先，但要使政 府所投入的高达数十亿美元的资金成效显著还 要等上数十年时间。 但评估报告中也提出警告，处理纳米级别的 物质可能会对我们的健康和环境产生潜在的危 害，对这方面研究的资金投入明显不够。1.1 基本概念和内涵 人类对客观世界的认识分为两个层次： 一是宏观领域，二是微观领域。 宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物 体开始为下限，上至无限大的宇宙天体； 微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无 限小的领域。 基本粒子：电子、质子、中子等。 介观领域： 在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近 年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“

5、处女 地”，三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的 崭新的物理性能。 1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得 者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳 微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我 们可能获得物性的范围”。 这个领域包括了从微米(1-100 m)、亚微米 ，纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺 寸)的范围。 从广义上来说，凡是出现量子相干现 象的体系统称为介观体系，包括团簇、 纳米体系和亚微米体系。 纳米体系和团簇从这种介观范围独立 出来，形成一个单独的领域(狭义的介观 领域)。1.1 基本概念和内涵一、基本概念 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm 。1 nm

6、=10(-9) m=10 埃。 头发直径：50-100 m, 1 nm相当于头发的 1/50000。如图 氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢 原子一个一个排起来的长度。1、纳米 （nanometer）1.1 基本概念和内涵How small is 1 nanometer?Human Hair一纳米有多小？一纳米有多小？跳蚤头发红细胞 病毒从宏观世界到微观世界从宏观世界到微观世界Pt/TiOPt/TiO2 2催化剂催化剂DNADNA 2 nm2 nm单壁碳管单壁碳管 1.4 nm1.4 nmC C60 60 0.7 nm0.7 nmUnderstanding SizeHow big (s

7、mall) are we talking about?10 centimeters1 centimeterUnderstanding Size100 micrometersUnderstanding Size10 micrometersUnderstanding SizeUnderstanding Size1 micrometerUnderstanding SizeUnderstanding Size100 nanometersUnderstanding SizeUnderstanding Size10 nanometersUnderstanding SizeUnderstanding Siz

8、e1 nanometerUnderstanding SizeUnderstanding Size 2. 纳米科技(Nano-ST) （1）纳米技术：20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在 千万分之一米(107)到十亿分之一米(109 米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围 内对原子、分子等进行操纵和加工的技 术。 1.1 基本概念和内涵 （2） 纳米科技的主要研究内容 创造和制备优异性能的纳米材料、 制备各种纳米器件和装置、 探测和分析纳米区域的性质和现象。 (基础，目标，前提)1.1 基本概念和内涵 纳米科技的最终目标：直接利用物质在纳米 尺

9、度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特 性制造出具有特定功能的产品。 1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技 术划分为6个分支学科 （1）纳米电子学、 （2）纳米物理学、 （3）纳米化学、 （4）纳米生物学、 （5）纳米加工学、 （6）纳米计量学(定位、测长等)。 其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的 理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的 内容。 3. 纳米材料(Nanomaterials) (1)纳米材料的定义: 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。 即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为基本单元构成的具有特

10、殊功能的材料。 1.1 基本概念和内涵 纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm， 如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材 料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金 中的晶粒； 其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围， 材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规 材料的、优异的特性。 量子尺寸效应1.1 基本概念和内涵 （2） 纳米材料与传统材料的主要差别： 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的 数量级上。 比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚 度在纳米尺度范围内。尺寸 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应 等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象。 比如

11、物体的强度、韧性、比热、导电率、扩 散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料 。性能1.1 基本概念和内涵 （3）目前该领域的主要研究内容： A 制备纳米尺寸范围材料的相关技术 液相法：如沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、聚合 法、化学镀法。 气相法：如蒸发法、电弧法、化学气相沉积法、 微弧氧化法。 B 分析、观察、检测纳米体系物质的相关技术 如AFM，STM，XRD，SEM，TEM，激光粒度 仪，比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等)，紫外 可见光吸收光谱，荧光光谱，热分析，磁性仪等。1.1 基本概念和内涵 C 纳米体系物质的物理性能 如小尺寸效应，隧道效应，表面效应，量子 尺寸效应，光、电、热、

12、磁效应等。 D 纳米体系物质的化学性能 纳米金属粒子、半导体粒子等, 如化学活性 、催化性能、稳定性、生物活性等。 E 纳米体系物质的应用 如Nano-Pd/Al2O3：CO助燃剂； Nano-TiO2： 抗菌，光催化，自清洁；碳纤维：吸波，聚苯 胺：化学传感器；V2O5：锂电池正极材料等。1.1 基本概念和内涵 4. 纳米器件 (1) 所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。 纳米科技的最终目的是以原子分子为起点, 去制造具有特殊功能的产品。 因此, 纳米器件的研制和应用水平是进入纳米 时代的重要标志。-微米时代(微米技术)1.1 基本概念和内涵 有人预计，目前微米级的信息技术

13、在21世纪会 走到尽头，进一步发展会受到物理学的局限。 根据美国半导体协会的预计，那时整个器件的 尺度可以小到100纳米，而电子器件小到100纳米 时，量子效应就会起到很重要的作用，利用量子 效应而工作的电子器件称为量子器件。这时就需 要用全新的理论和方法来构建新的纳米器件。 与微电子器件相比, 量子器件具有高速(速度可 提高1000倍)、低耗(能耗降为1/1000)、高效、高 集成度、经济可靠、信息存储量大(在一张不足 巴掌大的5英寸光盘上，至少可以存储30个北京 图书馆的全部藏书)等优点。1.1 基本概念和内涵 (2) 纳米技术与微电子技术的主要区别 是： 纳米技术研究的是以控制单个原子、

14、 分子来实现设备特定的功能，是利用电 子的波动性来工作的； 而微电子技术则主要通过控制电子群 体来实现其功能，是利用电子的粒子性 来工作的。 人们研究和开发纳米技术的目的，就 是要实现对整个微观世界的有效控制。1.1 基本概念和内涵 (3) 制造纳米产品的技术路线可分为两种： “自上而下” (top down)：是指通过微加工或 固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产 品微型化。 如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷 等。 特点：尺寸从大到小 “自下而上” (bottom up) ：是指以原子分子 为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装 ，从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术 路线将减少对原材

15、料的需求, 降低环境污染。 如化学合成、自组装、定位组装等。1.1 基本概念和内涵lThe use of bottom-up and top-down techniques in manufacturing1.1 基本概念和内涵 5. 纳米尺度的检测和表征 纳米尺度的检测与表征：在纳米尺度上研究 材料和器件的结构及性能。 包括： 在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、 力、磁、热、光学等特性。 纳米空间的化学反应过程、物理传输过程。 研究原子分子的排列组装与奇异物性的关系 。1.1 基本概念和内涵 纳米技术发展的典型代表 扫描隧道电子显微镜 1981年，IBM公司的G. Binning和H. Rohrer根 据电子的隧道效应发明了扫描隧道电子显微镜 (Scanning Tunneling Microscope, STM)，获1986 年诺贝尔物理奖。 目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来 观察原子、分子和直接操纵安排原子。Z轴分 辨率达到0.01 nm。至今，具有最高的分辨率 。世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)A 1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler 等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表 面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这 张放大了的照片登在时代周刊上，被称为 当年最了不起的公司广告。每个字母