《纳米技术》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,6.6,纳米技术,6.6.1,纳米科技,的,基本概念,和,内涵,早在1959年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者,费曼,就设想：“,如果有朝一日人们能把,百科全书,存储在一个针尖大小的空间内,并能,移动原子，那么这将给科学带来什么,？”这正是对,纳米科技,的,预言,，也就是人们常说的小尺寸大世界。,纳米科学技术,基本涵义,是在,纳米尺寸(10,-9,10,-7,m),范围内认识和改造自然，通过,直接操作和安排,原子、分子,创制新的物质。,纳米科技,是研究由尺寸在,1 100 nm,之间的,物质组成体系,的,运动规律,和,相互作用,以及可能的实际应用中的,技术问题,的科学技术。,纳米科技主要包括,：,(1)纳米体系物理学；(2)纳米化学；,(3)纳米材料学； (4)纳米生物学；,(5)纳米电子学 (6)纳米加工学；(7)纳米力学。,纳米新科技,重要进展：,(1) 利用,扫描隧道电子显微镜,直接操作原子,(2) 纳米材料的奇异特性,(3) 纳米生物学,基因,工程,(4),纳米微机械,和机器人,6.6.2 纳米技术,研究的对象和发展,的历史,一、纳米技术,研究的对象,纳米颗粒限制到,1100 nm,范围。,纳米材料的,基本单元,可以分为,三类,：,(i),0维,，指在,空间三维尺度,均在纳米尺度，,如,量子点、纳米尺度颗粒、原子团簇,等；,(ii),1维,，指在空间有,两维,处于纳米尺度，,如,量子线、纳米丝、纳米棒、纳米管,等；,(iii),2维,，指在三维空间中有,一维,在纳米尺度， 如,量子阱、超薄膜，多层膜；超晶格,等。,纳米材料,可分为,人工制备,与,天然,天然：,天体的陨石碎片,，人体和兽类的,牙齿,蜜蜂,：,蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子,，具有“,罗盘,”的,导航作用,，并利用这种“罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里的图像而,判明方向,。,螃蟹原先并非“,横行,”运动，而是,前后运动,，这是因为亿万年前的螃蟹,第一对触角里有,几颗用于,定向的磁性纳米微粒,小指南针,。螃蟹的祖先靠这种“指南针”,前进后退,。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒,失去,了原来的,定向作用,，于是使它失去了前后行动的功能，变成了,横行,。,大海龟,：,海龟的头部有磁性的纳米微粒,，起导航作用。,二、纳米技术,发展简史,1000多年前,。中国古代,墨,、,染料,；,中国古代,铜镜,表面的,防锈层,，证实为,纳米氧化锡颗粒,构成的一层薄膜；,1861年,，对直径为1100 nm的粒子系统即所谓,胶体,的研究,1962年,，久保及其合作者针对,金属超微粒子,的研究，提出了著名的,久保理论,1963年,，,Uyeda,及其合作者用气体冷凝法，对单个的,金属超微颗粒,的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究。,1970年,，,江崎,与,朱兆祥,首先提出了,半导体超晶格的概念,，张立纲和江崎等在实验中,实现了量子阱和超晶格,，观察到了极其丰富的物理效应。,20世纪70年代末到80年代初,，对一些,纳米颗粒,的,结构,、,形态,和,特性,进行了比较系统的研究。描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的,久保理论日臻完善,，在用,量子尺寸效应,解释,超微颗粒,的某些特性时,获得成功,。,1984年,，德国萨尔大学的G1eiter教授等人首次制备了,纳米粒子,，加压成,纳米固体,，并提出了纳米材料,界面结构模型,。随后发现,CaF,2,纳米离子晶体,和T,iQ,2,纳米陶瓷,在室温下出现,良好韧性,，使人们看到了,陶瓷增韧,的新的战略途径。,1985,年,，,Kroto,等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中,形成,碳的团簇,C,60,1990年7月,在美国,巴尔的摩,召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把,纳米材料科学,作为,材料科学的一个新的分支,公布于世，这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立,学科,的诞生。,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,。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。,纳米材料发展的,3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,。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,。,第二阶段(1994年前),：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,复合纳米薄膜,，国际上通常把这类材料称为,纳米复合材料,。,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或者称为纳米尺度的图案材料。,6.6.3,纳米材料与其他学科的,交叉、渗透,纳米材料凝聚态物理,纳米材料半导体材料,纳米材料化学,纳米材料复合材料,纳米材料医学药物,6.6.4 纳米材料,在,高科技,中的地位,以单电子隧道效应为基础的,单电子晶体管,（日本）,高速数据处理提供,分子电子器件及阵列,（德国）,开始用,分子电子器件,、,量子效应器件开发,生物,计算机,（日本）。,21世纪电子工业的关键材料都具有,纳米结构,比例,芯片,中的各个元件之间的耦合，纳米尺寸的开关材料、敏感材料、纳米级半导体/铁电体、纳米级半导体/铁磁体、纳米金属/纳米半导体集成的超结构材料、单电子晶体管材料、用于存储的巨磁阻材料、超小型电子干涉仪所需材料、电子过滤器材料、智能材料、新型光电子材料等。,6.6.5 纳米结构,和,纳米材料,的应用,一、纳米结构的应用,1、量子磁盘与高密度磁存储,2、高密度记忆存储元件,3、高效能量转化纳米结构,(1),高效再生锂电池,：,(2),太阳能电池,：,(3)热电转化,量子磁盘,扫描电镜像,4、微型传感器,(1),气体传感器,(2) 红外线传感器,(3) 湿敏传感器：,5、纳米结构高效电容器阵列,Au超微粒膜红外传感器,超微粒气体感应膜的结构模型,二、纳米材料,的应用,1、陶瓷增韧,2、磁性材料,巨滋电阻,材料,：,巨磁电阻效应,(GMR),是指,强磁性材料,在受到,外加磁场,作用时引起的巨大的,电阻变化,.,巨磁电阻效应是,1988,年法国巴黎大学的,Albert,Fert,和德国的,Peter,Grnberg,教授几乎同时发现的。,2007,年诺辈尔物理学浆授予这两位“,硬盘技术之父,”。,得益于这项技术，,硬盘,在近年来迅速变得,越来越小,。,(2) 新型的,磁性液体, 旋转轴的动态密封, 新型的润滑剂, 增进扬声器功率, 作阻尼器件,(3) 新型的磁记录材料,磁性纳米微粒,由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量,三、在生物和医学上的应用,1、利用,纳米微粒,进行,细胞分离,2、细胞内部染色：容易分辨各种组织,3、表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用,表面载有高分子和蛋白的,磁性纳米微粒,作为药物的载体，然后静脉注射到动物体内，在,外加磁场,的作用下，使其,移向病变部位,，达到,定向治疗,的目的。,磁性纳米粒子,在,分离癌细胞,和正常细胞方面经动物临床试验己获成功。,包覆聚苯乙烯的,Fe,3,O,4,纳米微粒,分离小鼠骨髓,液癌细胞,实验示意图,四、光学应用,1、红外反射材料,纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。,红外线反射膜的构造,主要红外线反射膜的组成、材料、制造方法,形 式,组 成,材 料,制造方法,金属薄膜,Au，Ag，Cu,金属,真空蒸镀法,透明导电膜,SnO,2,，In,2,O,3,金属,氧化物,其他化合物,真空蒸镀法,溅射法,喷雾法,多层干涉膜(1),(电介质-电介质),ZnS - MgF,2,TiO,2,- SiO,2,Ta,2,O,3,- SiO,2,有机金属化合物,氧化物,其他化合物,真空蒸镀法,CVD法,浸渍法,多层干涉膜(2),(电介质-金属-电介质),TiO,2,Ag-TiO,2,TiO,2,-MgF,2,-Ge-MgF,2,氧化物,金属,真空蒸镀法,溅射法,红外线反射膜的特点,金属-电解质复合膜,导电膜,电解质多层膜,光学特性,优,中,良,耐热性,差,良,优,成本,中,低,高,2、优异的光吸收材料,(1)紫外吸收,Al,2,O,3,粉掺合到稀土荧光粉吸收185 nm，提高日光灯管使用寿命。因为这种185 nm的紫外光对日光灯管的寿命有影响。,防晒油、,防止塑料、树脂和橡胶类的高聚物老化、,油漆脱落,(2)红外吸收,：,红外线进行屏蔽,增加保暖作用,3、隐身材料,五、在其他方面的应用,纳米抛光液,纳米静电屏蔽材料,纳米微粒消毒杀菌,纳米导电浆料,纳米助燃剂、阻燃剂,纳米印刷油墨,提高橡胶耐磨性,改善了玻璃的脆性、,提高Al合金的强度和韧性,资料片:,纳米材料,