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1、纳米材料与纳米技术纳米材料与纳米技术NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY1. 纳米材料与纳米技术的基本概述主讲人：吕 军西南交通大学材料科学与工程学院Telephone: 13558704392E-mail: 课程中文名称：纳米材料与纳米技术课程英文名称：Nanomaterials and Nanotechnology课程编号：H01217课程类型：硕士专业优选课总学时数：34学 分：2学分开课学期：2学期考核方式：考试适用专业：材料加工工程、材料科学与工程、材料科学与工程一级学科、材料物理与化学、材料学开课院系：材料科学与工程学院开课地点：4305A任课教师：吕
2、军课程基本信息课程基本信息 课程的性质和任务课程的性质和任务 本课程是硕士研究生的一门专业优选课，它研究了纳米材料的结构和性能及制备方法，以及纳米材料的应用以及纳米科技的新进展。本课程主要任务是使学生对纳米材料这样一种新的材料具有一个比较广泛的了解。为以后工作、学习及毕业论文实验提供必要的知识面和方法。 建议教材及主要参考书建议教材及主要参考书 教材：周瑞发 韩雅芳 陈祥宝 纳米材料技术 国防工业出版社 2003参考书：1徐云龙 赵崇军 钱秀珍 纳米材料学概论 华东理工大学出版社 2008年2. 贾宝贤 李文卓 微纳米科学技术导论 化学工业出版社 20073. 江雷 冯琳 仿生智能纳米界面材料
3、 化学工业出版社 20074丁秉钧 纳米材料 机械工业出版社 20045许并社等 纳米材料及应用技术 化学工业出版社 2004周瑞发 韩雅芳 陈祥宝 纳米材料技术 国防工业出版社 2003纳米概念（纳米概念（nano-conception）Terametre1Tm=1012mDecimetre1dm=10-1mGigametre1Gm=109mCentimetre1cm=10-2mMegametre1Mm=106mMillimetre1mm=10-3mGectijukimertre1hkm=105mDecimillimetre1dmm=10-4mMyriametre1mam=104mCenti
4、millimetre1cmm=10-5mKilometre1Km=103mMicrometre1m=10-6mHectometre1hm=102mNanometre1nm=10-9m =10 Decametre1dam=10mngstrom unit1=10-10mPicometre1pm= 10-12m1 纳米等于10亿分之1米 约为人发直径的1/80000105100nmRFeynman 美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼在1959年美国物理学协会会议上所作的题为“Theres Plenty of Room at the Bottom”的演讲，他指出：“至少依我看来,物理学的规律不排除
5、一个原子一个原子地制造物品的可能性”，“如果我们对物体微小规模上的排列作某种控制，我们就能使物体得到大量异常的性能，看到材料性能产生丰富的变化”。预言中指的材料即是现在的纳米材料。纳米材料的起缘什么是纳米材料？什么是纳米材料？纳米材料是旨在三维空间中至少有一维处于纳米尺纳米材料是旨在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米尺度：纳米尺度：0.10.1100nm100nm零维纳米材料：三维空间尺度均在纳米尺度（粉体、零维纳米材料：三维空间尺度均在纳米尺度（粉体、原子团簇、人造超原子、纳米孔洞等）原子团簇、人造超原子、纳米孔洞等
6、）一维纳米材料：在空间有两维处于纳米尺度（纳米一维纳米材料：在空间有两维处于纳米尺度（纳米丝、纳米棒、纳米管等）丝、纳米棒、纳米管等）二维纳米材料：在三维空间中有一维处于纳米尺度二维纳米材料：在三维空间中有一维处于纳米尺度（超薄膜、多层膜、超晶格等）（超薄膜、多层膜、超晶格等）Question: 什么是三维纳米材料什么是三维纳米材料 （纳米块体）？（纳米块体）？如果在X、Y和Z三个方向上都很大，但是这种材料的组成部分是纳米孔、纳米粒子或纳米线，我们称为三维纳米结构材料。 单一的V2O5纳米片晶可以组装成具有鸟巢状（b）、线团状（c）和刺猬状（d）的空心微球。纳米技术的起缘纳米技术的起缘日本学者
7、Taniguchi于1974年在东京举办的有关生产工程的国际会议上，提交了题为“On the basic concept of nano-technology”一文，“纳米技术（nano-technology）”一词首次面世。 1987年英国Franks Albert教授定义纳米技术为“在0.1100纳米尺度范围起关键作用的技术”。什么是纳米技术？什么是纳米技术？美国美国有关纳米科学、工程和技术的部际间工作组有关纳米科学、工程和技术的部际间工作组给出了目前通用的纳米技术的定义：给出了目前通用的纳米技术的定义： 纳米技术纳米技术是直接在原子和分子尺度上控制材料和是直接在原子和分子尺度上控制材料和
8、器件的技术（器件的技术（Siegel et alSiegel et al，19991999）纳米技术全概念（纳米技术全概念（中国中国）：在纳米尺度内通过对）：在纳米尺度内通过对物质反应、传输和转变的控制来创造新材料、开物质反应、传输和转变的控制来创造新材料、开发新器件及充分利用其特殊性能，并探索在纳米发新器件及充分利用其特殊性能，并探索在纳米尺度内物质运动的新规律和新现象。尺度内物质运动的新规律和新现象。纳米技术研究可采取纳米技术研究可采取top downtop down和和bottom upbottom up两种方式。两种方式。top downtop down方式是利用机械和蚀刻技术等制造纳
9、米尺度结构，方式是利用机械和蚀刻技术等制造纳米尺度结构，是从大做到小的技术。是从大做到小的技术。而而bottom upbottom up是在原子和分子尺度创造有机和无机结构，是是在原子和分子尺度创造有机和无机结构，是从小做到大的技术。从小做到大的技术。2月 21日 出 版 的 自 然 杂 志 在 Research Highlights栏目(Nature, Vol. 451, p868, Feb. 21, 2008)以 Lithography: Luminous Lizards为题报道中国科学院理化技术研究所利用多光子纳米加工技术进行纳米复合材料三维微纳结构加工研究取得的进展。他们利用纳米粒子尺
10、寸可控原位合成技术与多光子三维微纳结构加工技术，制备出了包括具有多种颜色荧光的细胞尺寸三维微米牛等多种三维微结构，并发现在尺寸较小部位具有较强的发光强度。自然杂志在Highlight中指出，上述动物造型在原理上证明：此方法可被用于制备微型发光器件。纳米技术的主要内涵纳米技术的主要内涵纳米材料学纳米材料学纳米化学纳米化学纳米物理学纳米物理学纳米生物学纳米生物学纳米电子学纳米电子学纳米力学纳米力学纳米加工学纳米加工学.纳米结构纳米结构 以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系。包括：造的一种新体系。包括： 自组装纳米结构自组装纳米结
11、构：通过弱的和较小方向性的非共价键如H-Bond, Van de Wals Force and weak Ion Bond 协同作用，把原子、离子或分子连结在一起构成一个纳米结构或纳米体系。这种结构或体系具有纳米材料特有的效应。 人工组装纳米结构人工组装纳米结构：主要有模板合成（碳纳米管模板，介孔模板，分子筛模板等），微细加工（电子束、X射线光刻，纳米压印术，束流加工，LIGA技术等）；原子、分子操纵。 in a selective solventNano CapsuleNano Crystalin bulk组装改变纳米结构组装改变纳米结构纳米材料与结构的奇异特性纳米材料与结构的奇异特性u小尺
12、寸效应小尺寸效应u高表面效应高表面效应u体积效应体积效应u量子尺寸效应量子尺寸效应u宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应u介电限域效应介电限域效应u库仑堵塞效应库仑堵塞效应纳米技术为什么引起重视纳米技术为什么引起重视纳米效应纳米效应u小小尺尺寸寸效效应应：纳纳米米微微粒粒尺尺寸寸相相当当或或小小于于光光波波波波长长、传传导导电电子子的的德德布布罗罗意意波波长长、超超导导态态的的相相干干长长度度或或透透射射深深度度等等物物理理特特征征尺尺寸寸时，表现出新的光、电、声、磁时，表现出新的光、电、声、磁、热力学等效应。热力学等效应。 原原 因因：晶晶体体周周期期性性边边界界条条件件被被破破坏坏，材材料料表
13、表层层附附近近原原子子密密度减小所致。度减小所致。u高高表表面面效效应应：纳纳米米粒粒子子的的表表面面原原子子数数与与总总原原子子数数之之比比随随粒粒径径减减小小而而急急剧剧增增大大。由由于于表表面面原原子子数数增增多多，表表面面原原子子配配位位数数不不足足和和高高的的表表面面能能，使使这这些些原原子子易易于于其其它它原原子子结结合合而而稳稳定定下下来来，从从而而具具有有很很高高的的化化学学活活性性。引引起起表表面面电电子子自自旋旋构构象象和和电电子子能能谱的变化；纳米微粒表面原子输送和构型的变化。谱的变化；纳米微粒表面原子输送和构型的变化。Cubic Nano-粒径/nmu体体积积效效应应：
14、由由于于纳纳米米粒粒子子的的体体积积极极小小，许许多多现现象象不不能能用用有有无无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称为体积效应。限个原子的块状物质的性质加以说明，即称为体积效应。久保（Kubo）理论把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距和粒径d存在以下关系：式中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数；V为纳米粒子的体积； EF为费米能级。随着粒径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将因此而变成绝缘体。 V V-1 -1 1/d 1/d3 3宏观物体N；纳米材料，N较少.u
15、量量子子尺尺寸寸效效应应：当当能能级级间间距距大大于于热热能能、磁磁能能、静静磁磁能能、静静电电能能、光光子子能能量量或或超超导导态态的的凝凝聚聚能能时时，必必须须考考虑虑量量子子效效应应。即即导导致致纳纳米米微微粒粒的的磁磁、光光、声声、热热、电电、超超导导电电性性与与宏宏观观特特性性的的显显著著不不同同，即即称称量量子子尺尺寸寸效效应应。例例如如，颗颗粒粒的的磁磁化化率率、比比热热容容与与所所含含电电子子的的奇奇、偶偶数数有有关关，相相应应会会产产生生光谱线的频移，介电常数变化，催化性质不同等光谱线的频移，介电常数变化，催化性质不同等。Cubicsemiconductoru宏宏观观量量子子
16、隧隧道道效效应应：微微观观粒粒子子具具有有贯贯穿穿势势垒垒的的能能力力称称为为隧隧道道效效应应。人人们们发发现现微微颗颗粒粒的的磁磁化化强强度度，量量子子相相干干器器件件中中的的磁磁通通量量等等也也具具有有隧隧道道效效应应，称为宏观的量子隧道效应。称为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的基础，确立了现有微电子器件进一步微型化的基础，确立了现有微电子器件进一步微型化的限制，必须考虑量子效应。限制，必须考虑量子效应。介介电电限限域域效效应应：当纳米材料被空气、聚合物、玻璃或溶剂等介质包围，由于介质与纳米材料折射率差异（通常是介质的折射
17、率低于纳米材料），导致电磁波（如阳光）照射时产生界面，在纳米材料粒子表面、甚至内部局域场强比辐射电磁波的强度增大的效应。介电限域效应的产生机理：由于纳米材料中电子的平均自由程被局限于很小的范围，与电子分离的空穴很容易形成激子激子，引起电子和空穴的波函数重叠，产生激子吸收带，引起激子的振子强度和吸收系数增加。激子（激子（excitonexciton）：被激发的电子由于库仑作用与分离的空穴相互联系在一起，形成的一种中性非传导的束缚状的电子激发态。科学家利用激子特性研发新代高速计算机 ：以激子作为基础的晶体管 。库库仑仑堵堵塞塞效效应应：库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现
18、象之一，涉及单电子的输运行为。当体系的尺度进入到纳米级(一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米)，体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，把这个能量称为库仑堵塞能，是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应库仑堵塞效应。利用此原理可制成室温下工作、微小的场效应三极管。利用此原理可制成室温下工作、微小的场效应三极管。 纳米材料的发展现状纳米材料的发展现状纳米材料的发展趋势纳米材料的发展趋势国内外知识产权状况国内外知识产权状况在标题和专利说明中检索的与纳米技术相
19、关的专利变化世界范围内已授权公开的关于纳米科技的专利领域和区域分布世界范围内已授权公开的关于纳米科技的专利领域和区域分布 我国纳米技术专利主要集中在纳米材料领域我国纳米技术专利主要集中在纳米材料领域世 界中 国 国内外政府重视和发展状况 美国：1998年拟定并与2000年2月宣布启动 “国家纳米科技计 划”。2001年财政年度计划拨款4.95亿美圆,实际为6.7亿美圆,2002年计划为7.3亿美圆。1997年对纳米基础研究支持了1.16亿美圆。2005年国家纳米计划预算10亿美元。 德国：建立政府与企业联合的研发中心，并启动国家级的研究计划（6500万美圆/年）。 法国：决定投资8亿法郎建立有
20、3500人参加的纳米技术中心和研究网。日本：每年投资2亿美圆以上推动新的国家计划和新的研究中心建设。 英国：1986年提出国家纳米计划（3300万英镑/年）。 韩国：十年发展规划，每年投资1.2亿美圆支持本国的纳米技术研究开发。2003年欧盟及其各国政府投资纳米技术的经费（单位：百万欧元）2003年欧盟15、25国及其成员国与美、日政府投入的纳米技术人均经费（欧元）1999-2003年美国政府和私营企业风险资本对纳米技术的投资（百万美元）2003年中国等国家（地区）政府投资纳米技术的经费（单位：百万美元）前景预测纳米技术的市场前景预测需求状况1 1、电子信息产业电子信息产业 20102010年
21、纳电子器件的尺寸将达到年纳电子器件的尺寸将达到100100纳米，其性能呈指数倍提高。纳米，其性能呈指数倍提高。 纳米技术在电子信息产业中的应用，将成为纳米技术在电子信息产业中的应用，将成为2121世纪经济增长的一个主世纪经济增长的一个主要发动机，它所带来的经济价值是难以估量的。要发动机，它所带来的经济价值是难以估量的。2 2、生物医药产业、生物医药产业 纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等领域有重大应用。纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等领域有重大应用。 20152015年年，纳纳米米技技术术在在生生物物医医药药领领域域中中的的应应用用，全全球球市市场场将将达达到到20002000亿美元
22、亿美元。 3 3、环保与能源产业、环保与能源产业纳纳米米能能源源材材料料在在解解决决2121世世纪纪能能源源危危机机问问题题上上，将将获获得得重重大大进进展展，其其国内的市场需求可达国内的市场需求可达8080亿美元以上。亿美元以上。4 4、传统产业改造、传统产业改造 纳米材料和技术在汽车产业中的应用存在巨大的商机。纳米材料和技术在汽车产业中的应用存在巨大的商机。 纳米催化剂在化纤行业的推广可带来数纳米催化剂在化纤行业的推广可带来数1010亿美元的收益。亿美元的收益。 纳米功能氧化物填充材料的市场需求将超过纳米功能氧化物填充材料的市场需求将超过2020亿美元亿美元。 纳纳米米材材料料具具有有极极
23、高高的的表表面面活活性性，作作为为化化工工催催化化剂剂具具有有广广泛泛的的应应用用市市场场 ，Mobil Mobil Oil Oil Co.Co.每每年年仅仅ZSMZSM负负载载型型催催化化剂剂得得到到的的收收益益就超过就超过1515亿美元亿美元。 纳纳米米材材料料为为建建筑筑材材料料的的发发展展将将带带来来一一次次前前所所未未有有的的革革命命，以以PVCPVC塑塑钢钢门门窗窗为为例例，近近几几年年我我国国每每年年城城乡乡工工业业和和民民用用建建筑筑的的建建造造量量平平均均约约1212亿亿2 2，需需要要门门窗窗亿亿2 2，年年需需塑塑钢钢门门窗窗约约30003000万万，年年需需要硬要硬PV
24、CPVC异型材约异型材约3030万吨。万吨。 纳纳米米晶晶金金属属软软磁磁材材料料的的应应用用对对电电力力电电子子行行业业各各类类产产品品的的更更新新换换代代将产生重大影响。未来将产生重大影响。未来5 5年的市场将达数十亿元。年的市场将达数十亿元。 纳纳米米硬硬质质合合金金在在难难加加工工和和精精密密加加工工领领域域具具有有广广阔阔的的应应用用前前景景和和市场需求，仅钨基合金的市场需求量约为市场需求，仅钨基合金的市场需求量约为2020亿元左右。亿元左右。 纳米润滑添加剂具有十分广阔应用前景，市场需求巨大。以机纳米润滑添加剂具有十分广阔应用前景，市场需求巨大。以机油润滑添加剂为例，每年可创产值油
25、润滑添加剂为例，每年可创产值1010亿元。亿元。 20002000年年，纳纳米米粉粉体体、纳纳米米复复合合陶陶瓷瓷及及其其它它复复合合材材料料的的市市场场容容量量为为54575457亿美元，纳米超精度加工技术市场容量亿美元，纳米超精度加工技术市场容量442442亿美元。亿美元。 5 5、国防军工领域、国防军工领域 纳纳米米隐隐身身材材料料可可解解决决雷雷达达波波吸吸收收材材料料与与红红外外隐隐身身材材料料的的兼兼容容与复合问题与复合问题 ，在，在国防军工领域国防军工领域具有重要的应用。具有重要的应用。国内近期重点十五期间十一五期间备注科技部10亿加倍北京市2亿10亿上海市1.5亿3.3亿税收优
26、惠广州市6540万元浙江省2000万元/年吉林省12千万四川省2000万元台湾省50亿RMB仅工研院我国纳米科技重大事件 1993年，中科院院北京真空物理实验室：操纵原子写“ 中国 ”，标志着我国科学家已进入了操纵原子的阶段 。1997年，清华大学范守善小组：制备出直径3-50nm，长度为微米级的氮化镓半导体一维纳米棒晶体，并提出探索纳米管限制反应的概念，曾被科学评为当年十大科学突破之一。 1998年，科学杂志刊载我国科学家论文：从四氮化碳通过水热法制备了纳米金刚石粉体。1998年，中科院物理所解思深小组：制备了长达2mm的纤维级碳纳米管，成果发表于Nature上。用纯净碳纳米管合成技术合成的
27、大面积定向纳米管系列发表于Science。我国纳米科技重大事件（continuing) 1999年，北京大学薛增泉小组：首次将碳纳米管组装树立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的STM probe.1999年，中科院沈阳金属所成会明博士：合成了超级储氢nano-carbon tube。2000年，中科院沈阳金属所卢柯博士：首次发现纳米金属铜的超塑延展性,第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的 （Science,2000)。张立德教授（中科院固体物理所）：用溶胶-凝胶与碳热还原相结合并利用纳米液滴外延技术首次合成准一维纳米丝和纳米电缆，国际上受到高度重视。1996年，钱逸泰先生：用-
28、射线辐射法和苯热合成技术相结合，制备了GaN纳米晶以及多种纳米份体材料，发表于Science上（1996；1998）。我国政策指导（国家 “十一五”新材料发展战略报告） 特色纳米材料与纳米结构1 1、纳米生物医用材料、纳米生物医用材料2 2、纳米稀土材料、纳米稀土材料3 3、纳米信息材料、纳米信息材料4 4、纳米晶须材料、纳米晶须材料5 5、纳米隐身材料、纳米隐身材料6 6、纳米高分子材料、纳米高分子材料7 7、纳米复合材料纳米复合材料结束语结束语1993年，因发明STM而获得诺贝尔奖的科学家罗雷尔博士曾写信给江泽民主席。他指出：“许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实
29、际意义。但我确信纳米科技已经具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。不幸的是，目前对这一新领域持保留和怀疑态度的还大有人在。我们应当记住，微米曾同样地被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛和耕犁毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。” 罗雷尔博士的话精辟地阐述了纳米科技对社会的发展将要起的重要作用。 纳米科技的发展和实用化必将促进人类文明的进步。让我们满怀信心地迎接纳米科技时代的到来吧！Thanks For Your Attention!Southwest Jiaotong University, Chengdu, ChinaMarch 01, 2011
