纳米科学与技术 Nanoscale Science & Technology 李桂村 材料科学与工程学院

1. 纳米科学与技术 Nanoscale Science & Technology 李桂村 材料科学与工程学院

2. 李桂村 • Tel: 13730918070 • E-mail: guicunli@qust.edu.cn

3. 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、Nanoscale Science and Technology, Robert W. Kelsall，John Wiley & Sons Ltd, 2005 5、国外著名杂志：Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotech., Angew. Chim. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Letters

4. 第一章 纳米科学技术简介 • 第二章 纳米结构单元 • 第三章 纳米材料的检测分析技术 • 第四章 纳米科学的基本理论 • 第五章 纳米微粒的结构与物理化学特性 • 第六章 纳米材料的制备方法

5. 第一章纳米科学技术简介 • 教学目的：了解纳米科技的基本内涵、发展历史、进展和趋势。 • 重点内容： • 1、掌握基本概念 • 介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米陶瓷、纳米器件、量子器件、莲花效应、纳米组装体系、自上而下、自下而上 。 • 2、纳米材料与传统材料的差别。 • 3、纳米科技的分类。 • 4、纳米科技的前沿动态。 

6. 难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。 • 熟悉内容: • 了解纳米科学技术发展史。 • 了解发展纳米科技的意义。 •  纳米技术在国内的研究情况及取得的成果。 • 主要英文词汇: • Mesostructure, Macrostructure, Nanostructure, Nanotechnology; nanomaterial, Nanostructure, Nanodevice，Top-down, Bottom-up.

7. 绪论 (Introduction) • 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。 • (摘自：科技日报 2005-01-27)

8. “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”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。“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”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。 • 报告中，既充满希望又对目前的形势比较谨慎。 • 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。

9. 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工业流程，要求对单一的原子或分子簇进行加工处理，这些材料通常只有1纳米到100纳米大小。纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工业流程，要求对单一的原子或分子簇进行加工处理，这些材料通常只有1纳米到100纳米大小。 • 在纳米级别，一些传统的材料可以表现出其有价值的特性，如不同寻常的强度、电导性或者通过肉眼无法察觉的某些性质，可以通过对不同纳米级材料间的重新组合制造出新的药物、新的食品和设备。 • 将对全球经济产生巨大的影响。 • 但同时科学家们也有一些担忧，这些新材料的产生也可能带来新的安全威胁，科学家们对这些新威胁可能要经过数十年才能完全了解。

10. 报告中表示，由于纳米科技属于一项基础科技，纳米技术的进步使得其它一些科技创新成为可能，对纳米科技研究的投资，从逻辑上来说，应该像对计算机和通信技术的早期投资一样，这两项科技也是在早期投资20到40年后才显示出其对社会的深远影响的。报告中表示，由于纳米科技属于一项基础科技，纳米技术的进步使得其它一些科技创新成为可能，对纳米科技研究的投资，从逻辑上来说，应该像对计算机和通信技术的早期投资一样，这两项科技也是在早期投资20到40年后才显示出其对社会的深远影响的。 • 但报告中也警示，目前对纳米科技研究的投资也出现一些问题，如政府对于纳米技术研究的投资缺乏必要的分类和投资的连贯性，而且对于投入的资金所产生的回报也缺乏一个明确的评估管理体系。

11. 评估报告中提出安全研究资金拨款不足问题，得到了布什总统的国家科技理事会专家小组的响应。一些专家表示，每年对纳米科技安全领域的研究的拨款不足4000万美元，这一拨款额度确实太小。同时专家在报告中还表示，每个机构的科学家都选择有自己独立的项目，缺乏一个中心方向。评估报告中提出安全研究资金拨款不足问题，得到了布什总统的国家科技理事会专家小组的响应。一些专家表示，每年对纳米科技安全领域的研究的拨款不足4000万美元，这一拨款额度确实太小。同时专家在报告中还表示，每个机构的科学家都选择有自己独立的项目，缺乏一个中心方向。 • 国际科学基金会负责人阿尔丁·贝曼特表示，“我要说的是，纳米科技研究这一领域错综复杂，我认为不可能有谁或哪个小型机构的研究人员能够足够聪明，确定所有存在的风险，确定研究的优先事项以及制定出所谓的研究策略。”

12. 新华网洛杉矶2007年2月18日电：在旧金山举行的美国科学促进协会年会上，美国纳米技术专家科尔文提出，开发和应用纳米技术必须首先保证其安全性。新华网洛杉矶2007年2月18日电：在旧金山举行的美国科学促进协会年会上，美国纳米技术专家科尔文提出，开发和应用纳米技术必须首先保证其安全性。 • 根据科尔文公布的动物试验数据，小于100纳米的物质进入动物体内后会侵入大脑和中枢神经系统, 从而影响大脑和神经系统的正常运转。

13. §1.1 纳米科学技术简介Nanoscale science & technology • 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，下限是无限的领域。 • 基本粒子：电子、质子、中子等；亚粒子：夸克。

14. 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“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、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。

15. 介观领域中产生以相干量子输运现象为主的介观物理，成为当今凝聚态物理学的热点。（导体与绝缘体的转变，磁性变化、纳米碳管导电性等）。介观领域中产生以相干量子输运现象为主的介观物理，成为当今凝聚态物理学的热点。（导体与绝缘体的转变，磁性变化、纳米碳管导电性等）。 • 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。 • 纳米体系和团簇就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）。

16. 一、纳米科学技术的基本概念和内涵 • 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1 nm=10(-9) m=10 埃。 • 头发直径：50-100 m, 1 nm相当于头发的1/50000。 • 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。 • Nanotechnology is the term used to cover the design, construction and utilization of functional structures with at least one characteristic dimension measured in nanometers.

17. How small is 1 nanometer? Human Hair 一纳米有多小？

18. 从宏观世界到微观世界 跳蚤 头发 病毒 红细胞 Pt/TiO2催化剂

19. Understanding Size • How big (small) are we talking about? • 10 centimeters

20. Understanding Size • 1 centimeter

21. Understanding Size 100 micrometers

22. Understanding Size 10 micrometers

23. Understanding Size 1 micrometer

24. Understanding Size 100 nanometers

25. Understanding Size 10 nanometers

26. Understanding Size • 1 nanometer

27. 1. 纳米科学技术(Nano-ST): • 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(10–7)到十亿分之一米(10–9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，又称为纳米技术。 • 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）

28. 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。 • 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。

29. 3.纳米材料(nanomaterials)的定义: • 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下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小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 “功能”概念，即“量子尺寸效应”。 • The objects may display physical attributes substantially different from those displayed by either atoms or bulk materials.

30. 常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。 • 一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。

31. 4.纳米材料的分类(Classification of nanostructures) • amorphous, singlecrystalline or polycrystalline • 按结构(维度the number of dimensions）分为5类： • (1) 0维材料quasi-zero dimensional—尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 • Systems confined in three dimensions • Fullerenes， Colloidal particles • Semiconductor quantum dots • HRTEM image • of magnetic iron oxide nanoparticle

32. (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 • Systems confined in two dimensions • Include nanowires, nanorods, nanofilaments and nanotubes. • (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 • Systems confined in one dimension. • include discs or platelets, ultrathin films on a surface and multilayered materials.

33. (4)体相纳米材料（由纳米材料组装而成）。Interfacial properties • a nanocrystalline solid consisting of nanometre-sized crystalline grains each in a specific crystallographic orientation.

34. (5) 纳米孔材料（孔径为纳米级）。 • MCM-41; SAB-16; • Nanoporous silicon; • Activated carbons MCM-41

35. SAB-16 6, 9, 20, 26 nm

36. 按组成（component） 分类 • 金属纳米材料、 • 半导体纳米材料、 • 有机和高分子纳米材料、 • 复合纳米材料、 • …… • 复合纳米材料：无机纳米粒子与有机高分子复合材料、无机半导体的核壳结构量子阱(超晶格)材料…………

37. 5. 纳米材料的新性质： • 当物质小到1~100 nm (10-9~10-7 m)时, 由于其巨大的表面及界面效应, 物质的很多性能发生质变, 呈现出许多既不同于宏观物体, 也不同于单个孤立原子的奇异现象（如量子化效应，非定域量子相干效应，量子涨落与混沌，多体关联效应和非线性效应等等）。 • 6. 纳米科技的最终目标： • 直接利用物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特性（如纳米尺度上的能带、费米能级及逸出功特意味着什么?）制造出具有特定功能的产品。

38. 7. 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

39. 目前我们实验室的主要研究内容： • A 制备纳米尺寸范围材料的相关技术 • 化学法：如沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、聚合法、化学镀法。 • 物理法：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。

40. 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，量子效应，光、电、热、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，稳定性等。 • E 纳米体系物质的应用 • 如Nano-TiO2，抗菌，光催化，自清洁；碳纤维：吸波，聚苯胺：化学传感器；V2O5：锂离子电池阳极材料等。

41. 二、纳米科技的分类 • 纳米科技从研究内容上可以分为三个方面： • 纳米材料 • 纳米器件 • 纳米尺度的检测和表征

42. 1 纳米材料 • 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度, 并且具有特殊性能的材料。 • 是纳米科技发展的物质基础。 • 主要类型为： • 团簇、纳米颗粒与粉体，纳米碳管和一维纳米材料，纳米薄膜，纳米块材等纳米材料的制备技术、原理及性质。

43. 纳米材料的研究包括两个方面： • 一、系统地研究纳米材料的微结构和谱学特征, 通过和常规材料对比, 找出纳米材料特殊的规律, 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。 • 二、发展新型纳米材料。 • 例如：纳米陶瓷。目前，纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中, 如何做到均匀化、分散化、稳定化。 • 根据性质设计各种特殊功能纳米材料。

44. 2 纳米器件 • 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） • Moore（Intel创始人）定律：芯片上晶体管数量每18个月将会增加1倍。集成度越高，器件尺寸越小。由于量子遂穿效应，特征尺寸在50 nm以下的器件难以工作。目前，45 nm，正在开发32 nm。 • 所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。

45. 有人预计，目前微米级的信息技术到2010年时会走到尽头，进一步发展会受到物理的局限。有人预计，目前微米级的信息技术到2010年时会走到尽头，进一步发展会受到物理的局限。 • 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。

46. 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、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。

47. 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。 • 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料的需求, 降低环境污染。 • 如化学合成、自组装、定位组装等。

48. The use of bottom-up and top-down techniques in manufacturing

49. 3 纳米尺度的检测和表征 • 纳米尺度的检测与表征手段：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。

50. 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。至今，具有最高的分辨率。Z轴分辨率达到0.01 nm。