納米材料和納米結(jié)構(gòu)第一講-new

1、納米材料和納米結(jié)構(gòu),鄭州大學(xué) 2009 - 2010學(xué)年上學(xué)期課程,2009級(jí) 物理工程學(xué)院,課件制作：李新建課程講授：張迎九物理工程學(xué)院材料物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電 話：67766870電子郵件：zhangyj2006@zzu.edu.cn辦公地址：南校區(qū)物理南樓315房間,個(gè)人介紹,1、Zhonglin Wang (Editor in Chief), Handbook of nanophase an

2、d Nanostructured Materials --- Synthesis，Beijing, Tsinghua University Press (March, 2003)2、朱 靜等編著，納米材料和納米器件，北京，清華大學(xué)出版 社（2003年4月）3、J. H. 芬德勒（美）著，項(xiàng)金鐘，吳興惠譯，納米粒子與納 米結(jié)構(gòu)薄膜，北京，化學(xué)工業(yè)出版社（2003年8月）4、張金中，王中林，劉俊

3、，陳少偉，劉剛玉著，曹茂盛， 曹傳寶譯，自組裝納米結(jié)構(gòu)，北京，化學(xué)工業(yè)出版社（2005年1月）5、G.-M. Chow, N. I. Noskova, Nanostructured Materials, Kluwer Academic Publishers (1998) 6、圖書館可以檢索到的所有相關(guān)書籍、綜述性文獻(xiàn),課程主要參考書,主要內(nèi)容 納米材料的基本概念 納米材料的主要制備技術(shù) 納米材料的結(jié)構(gòu)

4、及其表征技術(shù) 納米材料的物理性能 納米材料的應(yīng)用 授課方法：講述 + 專題講座 考核方式：開卷考試 + 考勤,課程的主要內(nèi)容、授課方法及考核方式,當(dāng)代納米科技與納米材料---內(nèi)涵、意義與挑戰(zhàn)李 新 建材料物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2006年08月30日,,關(guān)于物理學(xué)：一個(gè)錯(cuò)誤但流行的觀念,目前有一個(gè)廣為流行但是非常錯(cuò)誤的觀念：那就是認(rèn)為物理學(xué)作為一個(gè)有科學(xué)意義和價(jià)值的研究領(lǐng)域已經(jīng)大為過時(shí)。 然而事實(shí)是，在物理學(xué)領(lǐng)

5、域，亟待我們?nèi)ネ姨剿鞯目茖W(xué)規(guī)律和我們已經(jīng)探知的科學(xué)規(guī)律一樣多。 ---- John Maddox，《Nature》雜志前主編,材料研究的重要性 納米材料的研究歷史 納米材料的科學(xué)內(nèi)涵 納米材料的研究意義 納米材料面臨的挑戰(zhàn),報(bào) 告 內(nèi) 容,第一部分材料研究的重要性,材料是現(xiàn)代文明發(fā)展的基礎(chǔ)和先驅(qū),石器時(shí)代（the Stone Age）：石材 陶器時(shí)代（the Pottery Age）：陶器

6、 青銅器時(shí)代（the Bronze Age）：青銅 工業(yè)革命時(shí)代（the Industrial Revolution）：鋼鐵 信息時(shí)代（the Information Age）：硅,主導(dǎo)21世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)的四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域,信息科學(xué) Information Science 生命科學(xué) Life Science 環(huán)境科學(xué) Environment Scien

7、ce 納米科技 Nanoscience & Nanotechnology,第二部分納米材料的研究歷史,納米科技的提出：一個(gè)神奇的夢(mèng)想,人物：Richard. P. Feynman (1964年Nobel物理獎(jiǎng)得主)時(shí)間：1959年12月25日地點(diǎn)：美國(guó)加州理工學(xué)院,,There is a plenty of rooms at the bottom,概念的提出、建立與發(fā)展,1962年，日本物理學(xué)家 K

8、ubo 建立 Kubo 理論 1974年，日本物理學(xué)家 Taniguchi 提出納米技術(shù)（Nanotechnology）的概念 1981年，德國(guó)物理學(xué)家 H. Gleiter 提出固體納米結(jié)構(gòu)（Nanostructure of Solid）的概念 1990年，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議（美國(guó)，巴爾的摩） 規(guī)范納米科技四大領(lǐng)域：納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生 物學(xué)

9、、納米材料學(xué),制備與測(cè)試技術(shù)發(fā)展,1981年，德國(guó)物理學(xué)家 H. Gleiter 金屬納米粉體、納米結(jié)構(gòu)固體（Nanostructured Solid）的物理制備，真空蒸發(fā)冷凝法 1982年, IBM實(shí)驗(yàn)室G.Buining, H.Rohrer (Nobel物理獎(jiǎng)得主） 掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明，原子尺度材料結(jié)構(gòu)的觀 察、人工操縱及加工1985年，美籍中國(guó)物理學(xué)家 李遠(yuǎn)哲（Nobel化

10、學(xué)獎(jiǎng)得主） 分子束外延技術(shù)（MBE）生長(zhǎng)薄膜材料，半導(dǎo)體超晶格技術(shù),制備與測(cè)試技術(shù)發(fā)展（2）,制備與測(cè)試技術(shù)發(fā)展（3）,單晶硅表面原子排列,由C60分子在單晶銅表面做成的納米算盤,制備與測(cè)試技術(shù)發(fā)展（3）,用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運(yùn)和操縱48個(gè)原子，使它們排成圓形。,制備與測(cè)試技術(shù)發(fā)展（4）,,研究熱潮的到來,2000年美國(guó)啟動(dòng)納米技術(shù)促進(jìn)計(jì)劃,,N. Lane科學(xué)技術(shù)總統(tǒng)助理 “如果人們問我哪個(gè)科學(xué)和工

11、程領(lǐng)域最有可能在未來產(chǎn)生突破性成就，我認(rèn)為會(huì)是納米科學(xué)和工程” 。,,W. J. Clinton美國(guó)總統(tǒng)“我正在支持一項(xiàng)對(duì)美國(guó)未來經(jīng)濟(jì)和發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的納米技術(shù)，它是21世紀(jì)最重要、應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展的計(jì)劃……”。,美國(guó)政府發(fā)布“國(guó)家納米技術(shù)倡議（NNI）”；同時(shí)，成立隸屬于美國(guó)國(guó)家技術(shù)委員會(huì)（NCT）的國(guó)家納米科學(xué)、工程與技術(shù)分委員會(huì)（SNSET）,,研究熱潮的到來（2）,日本、德國(guó)立即出臺(tái)相應(yīng)研究計(jì)劃,,,日本政府要像抓微電子

12、技術(shù)那樣狠抓納米技術(shù)……，把發(fā)展納米技術(shù)作為21世紀(jì)前20年日本的立國(guó)之本。,德國(guó)政府納米技術(shù)是21世紀(jì)高科技的制高點(diǎn)。宣布成立跨部門的六大科學(xué)研究中心,協(xié)作發(fā)展納米技術(shù)。,研究熱潮的到來（3）,,,其他國(guó)家行動(dòng),,,印度要像抓軟件產(chǎn)業(yè)那樣，快速發(fā)展納米技術(shù)。,韓國(guó)2001年成為對(duì)納米技術(shù)投入增長(zhǎng)最快的國(guó)家。,研究熱潮的到來（4）,中國(guó)：決戰(zhàn)納米時(shí)代2000年7月中央政治局全體委員聽取中科院有關(guān)納米技術(shù)的報(bào)告，提出決戰(zhàn)納米時(shí)代

13、的指示國(guó)內(nèi)研究已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，建立了一定的國(guó)際影響宣布成立國(guó)家納米科技中心目標(biāo)：建立中國(guó)自己的納米科技創(chuàng)新體系,第三部分納米材料的科學(xué)內(nèi)涵,人類認(rèn)識(shí)自然的尺度范疇,宇觀尺度：距地球最遠(yuǎn)星系約 150 億光年 宏觀尺度：肉眼可見范圍，約 10-4 m 以上 介觀尺度：包括微米、亞微米、納米和團(tuán)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、輕子,納米科學(xué)與技術(shù)的基本特

14、征與特點(diǎn),學(xué)科交叉性 納米科學(xué)與技術(shù)是基于納米尺度的物理、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)、制造、信息、環(huán)境、能源等多學(xué)科構(gòu)成的一個(gè)新興學(xué)科交叉體系。學(xué)科的層次 納米科學(xué)與技術(shù)是涉及基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和廣泛應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)體系，可大致分為基礎(chǔ)、技術(shù)和應(yīng)用三個(gè)層次。,納米科學(xué)與技術(shù)的基本特征與特點(diǎn)（2）,學(xué)科研究與發(fā)展的基本內(nèi)涵 納米科學(xué)與技術(shù)的研究和發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它主要包括五個(gè)方面： （1

15、）由基礎(chǔ)研究支撐的創(chuàng)新思想和概念； （2）由工藝、技術(shù)研究支撐的技術(shù)革命和革新； （3）測(cè)試、表征以及納米標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善； （4）技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化的組織和實(shí)施； （5）技術(shù)成果市場(chǎng)的及時(shí)開拓和發(fā)展。學(xué)科的基本技術(shù)基礎(chǔ)和支撐 納米科學(xué)與技術(shù)的基本基礎(chǔ)和支撐是納米材料和納米器件。,納米科學(xué)、納米技術(shù)及其學(xué)科分類,納米科學(xué)研究納米尺度范疇內(nèi)原子、分子和其他類型物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的科學(xué),納米技術(shù)在納米尺度范疇內(nèi)

16、對(duì)物質(zhì)（原子、分子、團(tuán)簇、或材料等）進(jìn)行操縱和加工的技術(shù),學(xué)科分類納米科學(xué)與納米技術(shù)無法截然分開。目前，按照研究?jī)?nèi)容，獲得普遍認(rèn)可的分支學(xué)科大致包括：納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米光子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米摩擦學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)、納米檢測(cè)與表征等；納米材料與器件是上述所有分支學(xué)科的共同交叉點(diǎn),納米材料的定義,納米材料是指材料的基本結(jié)構(gòu)單元至少有一維的特征尺寸介于1~100 nm，并由于納米尺寸效應(yīng)（nanoscale size e

17、ffect）、表面/界面效應(yīng)（surface/interface effect）和量子限域效應(yīng)（quantum confinement effect）而表現(xiàn)出奇異的、不同于相應(yīng)的體材料所具備的物理或化學(xué)特性的材料或材料體系,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,納米顆粒與粉體（零維）納米線與納米管（一維）納米帶（二維）納米薄膜（二維）多孔材料納米結(jié)構(gòu)材料有機(jī)分子材料,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,薄膜、量子線和量子點(diǎn)：截面示

18、意圖,薄膜,量子線,量子點(diǎn),納米材料的分類（幾何形狀與維度）,鉑催化劑納米顆粒：形貌與電子衍射,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,碳納米管,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,納米管與納米線,（a）CVD多壁碳納米管，（b）GaN納米線，（c）SiC納米線,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,ZnO 納米帶,寬度、厚度均為nm 量級(jí)，長(zhǎng)度 mm 量級(jí),多孔氧化鋁,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,多孔材料：

19、MCM-41分子篩,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,GaAs/InAs多層膜量子點(diǎn),納米材料的分類（幾何形狀與維度）,納米結(jié)構(gòu)材料的分類示意圖,,納米材料的基本結(jié)構(gòu)特征,納米材料的基本物理特性,1. 量子尺寸效應(yīng):,隨著顆粒尺寸變小，晶體傳統(tǒng)的周期性邊界條件將被破壞，在一定條件下會(huì)引起材料的物理性質(zhì)發(fā)生質(zhì)的改變,出現(xiàn)新的效應(yīng)。這種由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為量子尺寸效應(yīng)。舉例: 如材料的光吸收會(huì)顯著增加, 所有的

20、金屬將失去光澤而變?yōu)楹谏怀瑢?dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變; 磁性產(chǎn)生質(zhì)變；熔點(diǎn)降低等。具體例子：如金納米顆粒熔點(diǎn)為600 K，而金的體材料熔點(diǎn)為1337 K；納米銀的熔點(diǎn)可降低到l00℃。此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新上藝。,納米材料的基本物理特性（2）,2. 量子限域效應(yīng),各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)【原子間距的變短】，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可

21、以看作是連續(xù)的。能帶理論能成功解釋金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別。,原子,固體,固體能級(jí)填充,原子、大塊晶體、和納米晶的能態(tài),,,納米晶,納米材料的基本物理特性（2）,對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的納米晶體，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。Kubo早在1962年就從理論上給出了能級(jí)間距和金屬顆粒直徑的關(guān)系: 當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列

22、與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子限域效應(yīng)。如導(dǎo)電的金屬在納米顆粒時(shí)可以變成絕緣體，而半導(dǎo)體納米體系的發(fā)光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)。,納米材料的基本物理特性（2）,舉例：CdS/硅納米孔柱陣列,,納米材料的基本物理特性（2）,,納米材料的基本物理特性（3）,3. 表面與界面效應(yīng),金屬的納米粒子在空氣中會(huì)燃燒，無機(jī)材料的納米粒子暴露在大氣中會(huì)吸附氣體并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。,尺寸小，表面大，活性高。,納米材料的基本物理特性（4）,4.

23、 宏觀量子隧道效應(yīng),材料中作為基本粒子之一的電子既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，這就是微觀粒子的波粒二象性。而量子隧道效應(yīng)則是所有量子力學(xué)體系的基本特性之一。 納米材料是一個(gè)典型的量子力學(xué)體系。因此，宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)成為未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)；同時(shí)，它也給出了微電子器件進(jìn)一步微型化的物理極限。 在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就會(huì)發(fā)生隧道效應(yīng)而使器件無法正常工作。理論預(yù)測(cè)表明，經(jīng)典電路的極

24、限尺寸大概為35 nm,而目前大規(guī)模集成電路的線寬已經(jīng)達(dá)到 70 nm?？茖W(xué)家們已經(jīng)成功研制出的單電子晶體管（量子共振隧穿晶體管）就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件，并有望成為新一代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。,納米材料的基本物理特性（4）,舉例：庫倫阻塞效應(yīng)與單電子器件,,(a)-(b)系統(tǒng)能量增加，庫倫阻塞效應(yīng)(c)-(d)系統(tǒng)能量不變，隧穿效應(yīng)發(fā)生,,納米材料的基本物理特性（4）,在兩個(gè)電極中間的絕緣層的中間再做一個(gè)電極II，使之帶半個(gè)電

25、荷，則兩邊的電極會(huì)各感應(yīng)出半個(gè)符號(hào)相反的電荷。如此，可以通過電極II上電壓的變化來控制隧穿效應(yīng)的發(fā)生。,納米材料的基本物理特性（4）,,,納米材料的制備技術(shù),納米材料兩個(gè)制備理念,從大到小: 固體?微米顆粒?納米顆粒從小到大: 原子?團(tuán)簇?納米顆粒,納米材料的制備技術(shù)（2）,第四部分納米材料的研究意義,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),,工業(yè)革命以來已經(jīng)歷了三次主導(dǎo)技術(shù)，引發(fā)了三次工業(yè)革命,,什么是主導(dǎo)技術(shù)？,科學(xué)革命,,技術(shù)革命,

26、產(chǎn)業(yè)革命,,,第一次產(chǎn)業(yè)革命(1734-1834）,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),? 主導(dǎo)技術(shù)：蒸汽機(jī)? 科學(xué)基礎(chǔ)：牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、 能量轉(zhuǎn)化原理,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),,第二次產(chǎn)業(yè)革命（1835-1914）,? 科學(xué)基礎(chǔ)：電的發(fā)現(xiàn)、電磁場(chǎng)理論 ? 主導(dǎo)技術(shù)：電氣化技術(shù)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng) 機(jī)、電力傳輸、無線電通訊,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),,第三次產(chǎn)業(yè)

27、革命（1945-2010？）,? 科學(xué)基礎(chǔ)：量子理論、能帶理論、半導(dǎo)體制 備技術(shù)、硅平面工藝?主導(dǎo)技術(shù)： 微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù),納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),,三次產(chǎn)業(yè)革命的啟示,1、每次產(chǎn)業(yè)革命都會(huì)造就一、二個(gè)新的先進(jìn)國(guó)家；2、主導(dǎo)技術(shù)都經(jīng)歷孕育期、生長(zhǎng)期、高速發(fā)展期、 穩(wěn)定期，主導(dǎo)技術(shù)的生命周期約50-60年；3、在主導(dǎo)技術(shù)的穩(wěn)定期都開始蘊(yùn)育下一個(gè)主導(dǎo)技術(shù)；4、主導(dǎo)技術(shù)都會(huì)帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)革命，先

28、從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造 開始，并逐漸形成新的產(chǎn)業(yè)群。,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),,為什么納米技術(shù)會(huì)引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命,,科學(xué)基礎(chǔ),,中間領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn),,,納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革命,科學(xué)框架的建立,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),,納米科學(xué)涉及幾乎所有關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域,制高點(diǎn),基 礎(chǔ),基 礎(chǔ),,,,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),納米技術(shù)—新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù),,20世紀(jì),微米技術(shù)是科技發(fā)展的制高點(diǎn), 是工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)。,納米材料是

29、二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),高集成、高空間分辨率，存儲(chǔ)密度：1000GB,計(jì)算速度提高100~1000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百萬倍，芯片尺寸降低100~1000倍,,21世紀(jì),DNA芯片,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),,,節(jié)省能源利用資源優(yōu)化環(huán)境,新工業(yè)革命,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),納米技術(shù),對(duì)關(guān)鍵問題的影響力,? 推動(dòng)GDP快速增長(zhǎng),,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),中國(guó)占多少份額

30、,市場(chǎng)分析,名人預(yù)測(cè),名人預(yù)測(cè),第五部分納米材料面臨的挑戰(zhàn),21世紀(jì)，高科技產(chǎn)業(yè)如信息、生物技術(shù)、資源環(huán)境、新型能源、宇航、海洋和新材料等領(lǐng)域都面臨著新的挑戰(zhàn)，納米技術(shù)的切入，使這些高科技領(lǐng)域的發(fā)展出現(xiàn)新的機(jī)遇，蘊(yùn)藏著巨大的潛力。,水平和機(jī)遇,水平和機(jī)遇,能 源,提高能量轉(zhuǎn)化效率,? 太陽能 >30% 電能,? 氫能源利用,? 熱能 提高10% 電能,,? 海底天然氣利用,水平和機(jī)遇,生物、醫(yī)藥,? 納米的靶向藥物

31、,? 高效緩釋藥物,? 細(xì)胞內(nèi)傳感器,? 生物芯片,? 納米生物探測(cè)技術(shù),水平和機(jī)遇,信息產(chǎn)業(yè),單電子 器件,磁電子 器件,自旋電子器件,共振隧穿器件,光電子 器件,巨磁電阻器件,量子點(diǎn)和分子電子器件,,,,,,,,,納米結(jié)構(gòu)器件納米加工,過濾器截止器諧振器微電容微電極,環(huán) 境,納米技術(shù)能消除水中小于200納米和空氣中小于20納米的污染物。,? 環(huán)境探測(cè)器,? 納米結(jié)構(gòu)反應(yīng)器,水平和機(jī)遇,水平和機(jī)遇,新材

32、料,? 輕質(zhì)、高強(qiáng),? 多功能，智能，自清潔,? 高聚物和納米復(fù)合物,? 高表面積多孔材料 凈化、分離、催化,? 生物相容、自我調(diào)整 藥物分配器,中國(guó)納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo),? 全方位向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)滲透，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)升級(jí)；,? 建立若干個(gè)以納米技術(shù)為主導(dǎo)的新興產(chǎn)業(yè)基地，初步形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新興納米產(chǎn)業(yè)鏈；,? 向信息、生物醫(yī)藥、能源環(huán)境、宇航等高科技領(lǐng)域切