纳米材料和纳米结构-第一讲

,*,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,纳米材料,和,纳米结构,郑州大学,2009 - 2010,学年第二学期课程,2007,级 应用物理学专业,李新建,物理工程学院,材料物理教育部重点实验室,电 话：,67766629,电子邮件：,lixj,办公地址：南校区物理科研楼,320,房间,个人介绍,1,、施利毅，纳米材料，上海，华东理工大学出版社（,2007,年,1,月）,2,、,Zhonglin,Wang (Editor in Chief), Handbook of,nanophase,and,Nanostructured,Materials - Synthesis,，,Beijing,Tsinghua,University Press (March, 2003),3,、朱静等，纳米材料和纳米器件，北京，清华大学出版社（,2003,年,4,月）,4,、,J. H.,芬德勒（美）著，项金钟，吴兴惠译，纳米粒子与纳米结构薄膜，北京，化学工业出版社（,2003,年,8,月）,5,、张金中，王中林，刘俊，陈少伟，刘刚玉著，曹茂盛，曹传宝译，自组装纳米结构，北京，化学工业出版社（,2005,年,1,月）,6,、陈敬中，刘剑洪，纳米材料科学导论，高等教育出版社（,2006,年,8,月）,7,、,图书馆可以检索到的所有相关书籍、综述性文献,课程主要参考书,主要内容,纳米材料的基本概念,纳米材料的主要制备技术,纳米材料的结构及其表征技术,纳米材料的物理性能,纳米材料的应用,授课方法：讲述,+,专题讲座,课程的主要内容及授课方法,当代纳米科技与纳米材料,-,内涵、意义与挑战,李 新 建,材料物理教育部重点实验室,2010,年,03,月,03,日,关于物理学：一个错误但曾经流行的观念,目前有一个广为流行但是非常错误的观念：那就是认为物理学作为一个有基础科学意义和探索价值的研究领域已经大为过时。,然而真正的事实是，在现代物理学领域，亟待我们去忘我探索的科学规律和我们已经探知的科学规律一样多。,-,John Maddox,，,Nature,杂志前主编,材料研究的重要性,纳米材料的研究历史,纳米材料的科学内涵,纳米材料的研究意义,纳米材料面临的挑战,报 告 内 容,第一部分材料研究的重要性,主导,21,世纪科学与技术的四个关键领域,信息科学,Information Science,生命科学,Life Science,环境科学,Environment Science,纳米科技,Nanoscience,& Nanotechnology,材料是现代文明发展的基础和先驱,石器时代（,the Stone Age,）：石材,陶器时代（,the Pottery Age,）：陶器,青铜器时代（,the Bronze Age,）：青铜,工业革命时代（,the Industrial Revolution,）：钢铁,信息时代（,the Information Age,）：晶体硅,第二部分纳米材料的研究历史,纳米科技的提出：一个神奇的梦想,人物：,Richard. P. Feynman (1965,年,Nobel,物理奖得主,),时间：,1959,年,12,月,25,日,地点：美国加州理工学院,There is a plenty of rooms at the bottom,纳米概念的提出、建立与发展,1959,年，,R. P. Feynman,发表有关纳米科技的著名演讲,1962,年，日本物理学家,Kubo,建立,Kubo,理论,1974,年，日本物理学家,Taniguchi,提出纳米技术（,Nanotechnology,）的概念,1981,年，德国物理学家,H.,Gleiter,提出固体纳米结构（,Nanostructure of Solid,）的概念,1990,年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）,规范纳米科技四大领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生,物学、纳米材料学,纳米制备与测试技术发展,远古以来自然界天然形成的纳米材料，人类无意识制造及使用的纳米材料与技术等,1931,年，英国物理学家,E. Ruska,和,M. Knoll,发明电子显微镜,1968,年，美国贝尔实验室,A. Y. Cho,和,J. Arthur,发明分子束外延技术,1981,年，德国物理学家,H.,Gleiter,发明金属纳米粉体真空蒸法冷凝制备法,1982,年，,IBM,实验室,G.,Buining, H. Rohrer (Nobel,物理奖得主）发明扫描隧道显微镜（,STM,）,1985,年，日本物理学家,H. W.,Kroto,发明富勒烯制备技术,1990,年，英国物理学家,L. T.,Canham,发明纳米多孔硅制备技术,1991,年，日本物理学家,Sumio,Lijirma,发明碳纳米管制备技术,1998,年，荷兰物理学家,C. Dekker,制备出基于碳纳米管的纳米晶体管,1999,年，美国物理学家,J. M. Tour,和,M. A. Reed,制备出纳米单分子开关,进入,21,世纪以来，纳米功能材料与器件研究飞速发展,纳米制备与测试技术发展（,2,）,纳米制备与测试技术发展,（,3,）,单晶硅表面原子排列,由,C,60,分子在单晶铜表面,做成的纳米算盘,纳米制备与测试技术发展,（,3,）,用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵,48,个铅原子，使它们排成圆形。,制备与测试技术发展,（,4,）,第一次纳米研究热潮的到来,2000,年,美国启动纳米技术促进计划,N. Lane,科学技术总统助理,“如果人们问我哪个科学和工程领域最有可能在未来产生突破性成就，我认为会是纳米科学和工程,” 。,W. J. Clinton,美国总统,“我正在支持一项对美国未来经济和发展将产生深远影响的纳米技术，它是21世纪最重要、应该优先发展的计划”。,美国政府,发布“国家纳米技术倡议（,NNI,）”；同时，成立隶属于美国国家技术委员会（,NCT,）的国家纳米科学、工程与技术分委员会（,SNSET,）,第一次纳米研究热潮的到来（,2,）,日本、德国立即出台相应研究计划,日本政府,要像抓微电子技术那样很抓纳米技术,，把发展纳米技术作为21世纪前20年日本的立国之本。,德国政府,纳米技术是21世纪高科技的制高点。宣布成立跨部门的六大科学研究中心,协作发展纳米技术。,第一次纳米研究热潮的到来（,3,）,其他国家行动,印度,要像抓软件产业那样，,快速发展纳米技术。,韩国,2001年成为对纳米技术投入增长最快的国家。,第一次纳米研究热潮的到来（,4,）,中国：决战纳米时代,2000,年,7,月中央政治局全体委员听取中科院有关纳米技术的报告，提出决战纳米时代的指示,国内研究已经具备一定的基础，建立了一定的国际影响,宣布成立国家纳米科技中心,目标：建立中国自己的纳米科技创新体系,第三部分纳米材料的科学内涵,人类认识自然的尺度范畴,宇观尺度：距地球最远星系约,220,亿光年,宏观尺度：肉眼可见范围，约,10,-4,m,以上,介观尺度：包括微米、亚微米、,纳米和团簇,原子原子核尺度：,10,-15,m - 10,-10,m,基本粒子尺度：,10,-19,m,，包括夸克、轻子,纳米科学与技术的基本特征与特点,学科交叉性,纳米科学与技术是基于纳米尺度的物理、化学、生物学、材料学、制造、信息、环境、能源等多学科构成的一个新兴学科交叉体系。,学科的层次,纳米科学与技术是涉及基本原理、关键技术和应用的科学技术体系，可大致分为基础、技术和应用三个层次。,纳米科学与技术的基本特征与特点（,2,）,学科研究与发展的基本内涵,纳米科学与技术的研究和发展是一个复杂的系统工程，它主要包括五个方面：,（,1,）由,基础研究支撑的,创新思想和概念,；,（,2,）由工艺、技术研究支撑的,技术革命和革新,；,（,3,）测试、表征以及,纳米标准的建立,和完善；,（,4,）,技术成果产业化的组织和实施,；,（,5,）,技术成果市场的开拓和发展,。,学科的基本技术基础和支撑,纳米科学与技术的基本基础和支撑是纳米材料和纳米器件。,纳米科学、纳米技术及其学科分类,纳米科学,研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化规律的科学,纳米技术,在纳米尺度范畴内对原子、分子等进行操纵和加工的技术,学科分类,纳米科学与纳米技术无法截然分开。目前，按照研究内容，获得普遍认可的分支学科大致包括：,纳米材料学,、,纳米电子学,、,纳米光子学,、,纳米机械学,、,纳米摩擦学,、纳米生物学、纳米加工学、纳米检测与表征,等；,纳米材料与器件,是上述所有分支学科的共同交叉点,纳米材料的定义,纳米材料,是指材料的基本结构单元至少有一维的特征尺寸介于,1100 nm,，并由于,纳米尺寸效应,（,nanoscale,size effect,）、,表面,/,界面效应,（,surface/interface effect,）和,量子限域效应,（,quantum confinement effect,）而表现出奇异的、不同于相应的体材料所具备的物理或化学特性的材料或材料体系。,纳米材料的分类（几何形状与维度）,纳米颗粒与粉体（零维）,纳米线与纳米管（一维）,纳米带（二维）,纳米薄膜（二维）,多孔材料,纳米结构材料,有机分子材料,纳米材料的分类（几何形状与维度）,薄膜、量子线和量子点：截面示意图,薄膜,量子线,量子点,纳米材料的分类（几何形状与维度）,铂催化剂纳米颗粒：形貌与电子衍射,纳米材料的分类（几何形状与维度）,碳纳米管,纳米材料的分类（几何形状与维度）,纳米管与纳米线,（,a,）,CVD,多壁碳纳米管，（,b,）,GaN,纳米线，（,c,）,SiC,纳米线,纳米材料的分类（几何形状与维度）,ZnO,纳米带,宽度、厚度均为,nm,量级，,长度,mm,量级,多孔氧化铝,纳米材料的分类（几何形状与维度）,纳米材料的分类（几何形状与维度）,多孔材料：,MCM-41,分子筛,纳米材料的分类（几何形状与维度）,GaAs/InAs,多层膜量子点,纳米材料的分类（几何形状与维度）,纳米结构材料的分类示意图,纳米材料的基本结构特征,纳米材料的基本物理特性,1.,纳米尺寸效应,:,随着颗粒尺寸变小，晶体传统的周期性边界条件将被破坏，在一定条件下会引起材料的物理性质发生质的改变,出现新的效应。这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为量子尺寸效应。,举例,:,如材料的光吸收会显著增加,所有的金属将失去光泽而变为黑色；超导相向正常相转变,;,磁性产生质变；熔点降低等。,具体例子：如金纳米颗粒熔点为,600 K,，而金的体材料熔点为,1337 K,；纳米银的熔点可降低到,l00,。此特性为粉末冶金工业提供了新上艺。,纳米材料的基本物理特性（,2,）,2.,量子限域效应,各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的。能带理论能成功解释金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别。,原子,固体能级填充,原子、大块晶体、和纳米晶的能态,纳米晶,纳米材料的基本物理特性（,2,）,对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，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。,Kubo,早在,1962,年就从理论上给出了能级间距和金属颗粒直径的关系,:,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，称之为量子限域效应。如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，而半导体纳米体系的发光谱线会产生向短波长方向的移动。,纳米材料的基本物理特性（,2,）,举例：,CdS,/,硅纳米孔柱阵列,纳米材料的基本物理特性（,2,）,纳米材料的基本物理特性（,3,）,3.,表面与界面效应,金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体并与气体进行反应。,粒径,(nm),2 nm,5nm,10nm,100nm,原子总数,350,4000,30000,310,6,表面原子百分数,86,40,20,2,比表面积,(m,2,/g),450,180,90,9,尺寸小，表面大，活性高。,纳米材料的基本物理特性（,4,）,4.,宏观量子隧道效应,材料中作为基本粒子之一的电,子既具有粒子性，又具有波动性，这就是微观粒子的波粒二象性。而量子隧道效应则是所有量子力学体系的基本特性之一。,纳米材料是一个典型的量子力学体系。因此，宏观量子隧道效应将会成为未来微电子、光电子器件的基础；同时，它也给出了微电子器件进一步微型化的物理极限。,在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就会发生隧道效应而使器件无法正常工作。理论预测表明，经典电路的极限尺寸大概为,35 nm,而目前大规模集成电路的线宽已经达到,70 nm,。科学家们已经成功研制出的单电子晶体管（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，并有望成为新一代计算机的基础。,纳米材料的基本物理特性（,4,）,举例：库伦阻塞效应与单电子器件,(a)-(b),系统能量增加，库伦阻塞效应,(,c)-(d,),系统能量不变，隧穿效应发生,纳米材料的基本物理特性（,4,）,在两个电极中间的绝缘层的中间再做一个电极,II,，使之带半个电荷，则两边的电极会各感应出半个符号相反的电荷。如此，可以通过电极,II,上电压的变化来控制隧穿效应的发生。,纳米材料的基本物理特性（,4,）,纳米材料的制备技术,纳米材料两个制备理念,从大到小,:,固体,微米颗粒纳米颗粒,从小到大,:,原子,团簇纳米颗粒,纳米材料的制备技术（,2,）,(,按物态分类,),气相法,液相法,固相法,蒸发,-,冷凝法,化学气相反应法,溶胶,-,凝胶法,沉淀法,喷雾法,非晶晶化法,机械粉碎,(,高能球磨,),法,固态反应法,第四部分纳米材料的研究意义,纳米材料是二十一世纪的主导技术,工业革命以来已经历了三次主导技术，引发了三次工业革命,什么是主导技术？,科学革命,技术革命,产业革命,第一次产业革命(1734-1834）,纳米材料是二十一世纪的主导技术,主导技术：蒸汽机,科学基础：牛顿力学、热力学、,能量转化与守恒原理,纳米材料是二十一世纪的主导技术,第二次产业革命（1835-1914）,科学基础：电的发现、电磁场理论,主导技术：电气化技术、发电机、电动,机、电力传输、无线电通讯,纳米材料是二十一世纪的主导技术,第三次产业革命（1945-2010？）,科学基础：量子理论、能带理论、半导体制,备技术、硅平面工艺,主导技术： 微电子技术、计算机技术,纳米材料是二十一世纪的主导技术,三次产业革命的启示,1、每次产业革命都会造就一、二个新的先进国家；,2、主导技术都经历孕育期、生长期、高速发展期、,稳定期，主导技术的生命周期约50-60年；,3、在主导技术的稳定期都开始蕴育下一个主导技术；,4、主导技术都会带动产业革命，先从传统产业改造,开始，并逐渐形成新的产业群。,纳米材料是二十一世纪的主导技术,为什么纳米技术会引发新的产业革命,科学基础,中间领域的重大发现,纳米技术的产业革命,科学框架的建立,纳米材料是二十一世纪的主导技术,纳米科学涉及几乎所有关键技术领域,制高点,n-,电子学,n-,加工,n-,生物,技术基础,n-,材料,n-,器件,科学基础,纳米物理,纳米化学,纳米力学,纳米材料是二十一世纪的主导技术,纳米技术新工业革命的主导技术,存储密度：10,6,10,11,= 10万个磁盘,读写速度：1,GB 20 GB,20世纪,微米技术是科技发展的制高点, 是工业革命的主导技术。,纳米材料是二十一世纪的主导技术,高集成、高空间分辨率，存储密度：1000,GB,计算速度提高1001000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低1001000倍,纳米技术,21世纪,DNA,芯片,纳米材料是二十一世纪的主导技术,纳米材料是二十一世纪的主导技术,生物单分子探测,纳米材料是二十一世纪的主导技术,纳米材料是二十一世纪的主导技术,节省能源,利用资源,优化环境,新工业革命,纳米材料是二十一世纪的主导技术,医疗药物,环境能源,宇航交通,生物农业,电子器件计算机,国家安全,新材料制 造,传统产业,纳米技术,对关键问题的影响力,推动,GDP,快速增长,名人预测,名人预测,中国在21世纪魔术般的成为超级先进国家，,纳米技术,是可选择的重要途径。,乔纳森.斯彭斯-美国耶鲁大学中国现代史教授,罗雷尔-诺贝尔物理奖获得者,七十年度重视微米技术的国家都已成为发达国家,现在重视,纳米技术,的国家有可能成为下一世纪的先进国家,第五部分纳米材料面临的挑战,21世纪，高科技产业如信息、生物技术、资源环境、新型能源、宇航、海洋和新材料等领域都面临着新的挑战，纳米技术的切入，使这些高科技领域的发展出现新的机遇，蕴藏着巨大的潜力。,水平和机遇,太阳能,30%,电能,水平和机遇,能 源,新能源发现：,非可燃气体,NT,可燃气体,提高能量,转化效率,氢能源利用,热能,提高10%,电能,化学能,长寿高效,电能,海底天然气利用,水平和机遇,生物、医药,纳米的靶向药物,高效缓释药物,细胞内传感器,生物芯片,纳米生物探测技术,水平和机遇,信息产业,单电子,器件,磁电子,器件,自旋电,子器件,共振隧,穿器件,光电子,器件,巨磁电,阻器件,量子点和分子电子器件,纳米结构器件,纳米加工,过滤器,截止器,谐振器,微电容,微电极,环 境,纳米技术能消除水中小于200纳米和空气中小于20纳米的污染物。,环境探测器,纳米结构反应器,水平和机遇,水平和机遇,新材料,轻质、高强,多功能，智能，自清洁,高聚物和纳米复合物,高表面积多孔材料：净化、分离、催化,生物相容、自我调整：药物分配器,国家纳米材料中长期发展计划,国家中长期科学和技术发展规划纲要,（,2006-2020,）中规划的四个“重大科学研究计划”：蛋白质研究，量子调控研究，纳米研究，发育与生殖研究,重点研究内容与方向：,纳米材料的可控制备、自组装和功能化；,纳米材料的结构、优异特性及其调控机制；,纳米加工与集成原理，概念性和原理性纳器件制备；,纳米电子学、纳米生物学和纳米医学；,分子聚集体和生物分子的光电磁学性质和信息传递；,单分子行为与操纵；,分子机器的设计、组装与调控；,纳米尺度表征与度量学；,纳米材料在能源、环境、信息、医药等领域的应用技术,中国纳米产业的发展目标,全方位向传统产业渗透，调整产品结构，推进传统产业业态升级；,建立若干个以纳米技术为主导的新兴产业基地，初步形成具有自主知识产权的新兴纳米产业链；,向信息、生物医药、能源环境、宇航等高科技领域切入，在若干方面形成新的高科技产品平台，实现跨跃式发展，使我国纳米科技开发与应用水平居于国际前列。,中国纳米科技存在的问题,1. 拥有自主知识产权的原创性不够,2. 研究内容基本滞后先进国家,2-3,年,