Download
1 / 71
710 likes | 938 Vues
纳米技术. 九江学院理学院 罗 江 龙. 引言. 早在 1959 年 , 美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者 Feynman 就预言“当我们得以对细微尺寸的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物性的范围。”“如果有朝一日人们能在针尖大小的空间内移动原子，那么这将给科学带来什么！”. 今天，随着人们对纳米材料体系和各种超结构体系研究的开展和深入，这些预言正在逐渐成为现实。. 物理学家 Richard Feynman 1959 年 《 在底部还有很大空间 There is Plenty of Room at the Bottom. 》.
E N D
纳米技术 九江学院理学院 罗 江 龙
引言 早在1959 年, 美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者Feynman 就预言“当我们得以对细微尺寸的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物性的范围。”“如果有朝一日人们能在针尖大小的空间内移动原子，那么这将给科学带来什么！” 今天，随着人们对纳米材料体系和各种超结构体系研究的开展和深入，这些预言正在逐渐成为现实。
物理学家Richard Feynman 1959年《在底部还有很大空间There is Plenty of Room at the Bottom. 》 一个原子一个原子地制造物品 • Eric Drexler • One time student of Feynman • 1986 book • “Engines of Creation”
Top-down manufacturing • Traditional approach • Take away material until what is left is the product Eg. Sculpting
Bottom-up manufacturing • Nanotech approach • Add material until the product has been created Eg. Biological systems
自然界的纳米材料 • 人体和兽类的牙齿 • 海洋中的生命粒子 • 蜜蜂的“罗盘”—腹部的磁性纳米粒子 • 螃蟹的横行—磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱 • 海龟在大西洋的巡航—头部磁性粒子的导航
碳纳米管具有优良的性能——碳纳米管的发现被世界权威杂志《Science》评为1997年度人类十大科学发现之一。碳纳米管具有优良的性能——碳纳米管的发现被世界权威杂志《Science》评为1997年度人类十大科学发现之一。 类似石墨结构，优良的耐酸碱性能 依赖直径大小和螺旋性的金属或半导体的特性 超强的力学强度和长径比 碳纳米管取向杂乱 、相互缠绕，限制对其物理、化学性质的研究和实际应用
纳米纪事 • 最早的纳米材料： 中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡 中国古代的墨及染料 • 1857年，法拉第制备出金纳米颗粒 • 1861年，胶体化学的的建立 • 1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论 • 上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究 • 1985年，Kroto和Smalley等人发现C60 • 1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议 • 1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程
(1)纳米物理学；(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；(8) 纳米机电系统 ……
科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。
一、什么是纳米 二、纳米材料的制备方法 三、纳米材料的应用 四、发展纳米科技的意义
~12,000km ~1.2cm 什么是“纳米”? • 数学上的长度单位 • 1纳米 = 0.000 000 001米 (十亿分之一米) • 1微米 = ?米 • 1纳米 = ?米 • 1毫米 = 0.001米 (千分之一米) • 1微米 = 0.000 001米 (百万分之一米) • 1毫米 = ?米
纳米（nm） “矮小”（希腊文） 一纳米是氢原子直径的10倍 万分之一头发粗细 红血球：200-300nm 细菌： 200-600nm 病毒： 几十纳米
纳米材料： 固体颗粒小到纳米尺度的超微粒子（也称之为纳米粉）和晶粒尺寸小到纳米量级的固体和薄膜。
分类 纳米粉末 纳米纤维 纳米膜 纳米块体
纳米粒子（超微颗粒）： 1～100nm间的粒子 处原子簇和宏观物体交界的过渡区域 既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统 具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
表面效应 • 粒子直径减少到纳米级，表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加；处于表面的原子数增多，使大部分原子的周围（晶场）环境和结合能与大块固体内部原子有很大的不同：表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合，故具有很大的化学活性。
表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系
2 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，纳米半导体微粒存在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应
纳米粒子强烈趋向于电中性，Ag微粒在温度1K时出现量子尺寸效应(由导体变成绝缘体)，临界粒径为20nm。纳米粒子强烈趋向于电中性，Ag微粒在温度1K时出现量子尺寸效应(由导体变成绝缘体)，临界粒径为20nm。 电子能级 能隙 d 较大时 d 较小时
3 小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，导致声、光、磁、热、力等特性呈现新的效应。 • 纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的1016—1019倍 • PbTiO3、BaTiO3等典型铁电体纳米化后 ，转变为顺电体 • 铁磁性物质（5nm），出现极强的顺磁效应 • 惰性的 Pt纳米微粒化后 ，Pt黑是活性极好的催化剂 • 金属纳米微粒后，无金属光泽，对光显示极强的吸收性
4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应，是未来微电子器件的基础。 近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化 限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限 确立了现在微电子器件进一步微型化的极限
界面相关效应：纳米铜材的超塑性（中科院卢柯）,纳米粒子界面中原子的超快扩散能力导致了纳米铜具有超塑变形的能力。界面相关效应：纳米铜材的超塑性（中科院卢柯）,纳米粒子界面中原子的超快扩散能力导致了纳米铜具有超塑变形的能力。 5 界面相关效应由于纳米结构材料中有大量的界面，与单晶材料相比，纳米结构材料具有反常高的扩散率，它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响；可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，并可使不混溶金属形成新的合金相；出现超强度、超硬度、超塑性等
制备方法 物理方法 真空蒸发法 溅射法 机械球磨法
化学方法 气相沉积法 沉淀法 水热合成法 溶胶凝胶法 微乳液法
◆力学上的应用： 最近出现了一类超硬薄膜材料，他们是由纳米厚度的普通的硬质薄膜组成的多层膜材料。 例如TiYN／VN纳米复合多层膜的硬度竟高达78GPa，接近了金刚石的硬度；而纳米晶粒复合的TiN／SiNx薄膜材料的硬度达到了创记录的105GPa，可以说完全达到了金刚石的硬度。这种纳米复合多层膜不仅硬度很高，摩擦系数也较小，因此是理想的工具(模具)涂层材料。它们的出现向金刚石作为最硬的材料的地位提出了严峻的挑战。同时在经济性上也有十分明显的优势，因此具有非常好的市场前景。同时，多层膜结构也能提高材料的韧性，在金属／陶瓷组成的多层膜中，不但大大提高陶瓷的韧性、耐磨性和抗冲击力，又不降低其原有的强度和硬度，综合了金属与陶瓷两方面的优势，应用领域十分广泛。
◆光学上的应用： ●纳米SiO2光导纤维，光传播快，不失真 ●红外吸收和紫外吸收材料，隐身材料
紫外光吸收：纳米TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO纳米方面对250nm以下的波长有较强的吸收。185nm的短波紫外线对人体健康有损害，而且对日光灯的寿命有影响，若将Al2O3粉末掺入稀土荧光粉中，可吸收掉这些有害的紫外光。紫外光吸收：纳米TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO纳米方面对250nm以下的波长有较强的吸收。185nm的短波紫外线对人体健康有损害，而且对日光灯的寿命有影响，若将Al2O3粉末掺入稀土荧光粉中，可吸收掉这些有害的紫外光。 同理可用在防晒剂和化妆品中。 可作为抗老剂加入高分子材料中，防止高分子材料老化。
◆磁性材料 ●磁流体（磁性液体材料） 强磁性纳米微粒外包覆一层长链的表面活性剂，并稳定地分散在基液中形成胶体，具有强磁性，又具有液体的流动性。
例如纳米Fe3O4（10nm）分散到含有油酸的水中，再经脱水分散在基液中。磁性流体目前主要应用在旋转轴防尘动态密封，例如计算机硬盘轴处防尘密封。北京钢铁研究院开发的FeN磁流体产品。例如纳米Fe3O4（10nm）分散到含有油酸的水中，再经脱水分散在基液中。磁性流体目前主要应用在旋转轴防尘动态密封，例如计算机硬盘轴处防尘密封。北京钢铁研究院开发的FeN磁流体产品。
●磁记录材料 1、巨磁电阻材料 所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应，1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit／in2，最近报道为11Gbit／in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。1995年报道自旋阀型MRAM记忆单位的开关速度为亚纳秒级，256Mbit的MRAM芯片亦已设计成功，成为可与半导体随机存储器（DRAM，SEUM）相竞争的新型内存储器。 2、磁光效应 用稀土元素和过渡族元素制备的非晶磁性薄膜具有较大的磁光效应可作为热磁垂直记录薄膜材料使用。这种薄膜的易磁化轴是垂直于薄膜表面的。在微小区域改变磁化方向则出现不同取向的圆柱体磁畴，使它具备数字记录功能。记录磁畴和入射到薄膜上的激光光束斑点尺寸相当，所以可制成大容量高密度磁光记录盘。
●旋磁材料 有些纳米铁氧体会对作用于它的电磁波发生一定角度的偏移，这就是旋磁效应。利用旋磁铁氧体的非线性，可制作倍频器、混频器、振荡器、放大器等，用于制作雷达、通信、电视、测量、人造卫星，导弹系统的微波器件。
●矩磁材料 有些纳米铁氧体的磁滞回线为矩形，这种材料称为矩磁材料。矩磁材料广泛用于电子计算机、自动控制和远程控制等科学技术中，用来制作记忆元件、开关元件、逻辑元件，磁放大器，磁光存储器等。
●纳米微晶软磁材料 Fe-Si-B是非晶态的软磁材料，加入Cu、Nb有利于铁微晶的成核及细化，广泛应用于各种变压器(脉冲、高频)、传感器、磁开关。
●压磁材料 以磁致伸缩效应为应用原理的铁氧体材料，称为压磁材料。所谓磁致伸缩效应，是指磁性材料再磁化过程中几何尺寸与形状发生变化的现象。主要应用与超声波器件（如超声波探伤等），水生器件（如声纳等）、机械滤波器、混频器、压力传感器等。其优点是电阻率高，频率响应好、电声效率高。
当今被重点研究的纳电子器件主要有：①电子共振隧穿器件；③二维电子气器件；③量子点接触器件；④量子点场效应晶体管；⑤量子线的非线性；⑥纵向库仑阻塞结构等。当今被重点研究的纳电子器件主要有：①电子共振隧穿器件；③二维电子气器件；③量子点接触器件；④量子点场效应晶体管；⑤量子线的非线性；⑥纵向库仑阻塞结构等。 ◆电学方面的应用 1、透明电极膜 在显示器方面，液晶、电致发光（EL）、等离子显示器等都广泛应用了氧化物半导体薄膜；同时，该薄膜也应用于太阳能电池、光开关、摄像器材等领域 2、表面发热膜 一些氧化物半导体薄膜具有表面发热的特性，可以应用于防雾防霜领域，例如：飞机、陈列箱窗、照相机镜头、滑雪眼睛等。 3、抗静电膜 对于三氧化二铁等一系列氧化物半导体，在处于纳米状态下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。这一特性广泛应用于电器的仪表指示窗、计量仪器窗、半导体器件包装袋、阴极射线管的显示面等。 4、超导薄膜 氧化物超导薄膜是近年来国际上非常重视的高温超导薄膜(临界温度约为90K)。其中的典型代表是YBaCuO体系超导薄膜。现已被广泛应用于制造超导量子干涉器件(SQUID)、电压标准测量器件、数字逻辑和存贮器件、电磁波检测器件、宽频带检波器件、参量放大器件、电磁波发生器和高频器件等。 5、纳电子器件
◆催化方面的应用 光催化：由水制氢气、污水处理等。制备出纳米光催化自洁净玻璃，抗菌军服、病服、纳米洗衣机、家具、洁具、厨具、小孩玩具，有很强的自洁净功能 Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnO、ZnFe2O4` TiO2及TiO2-ZnO，TiO2-SnO2,TiO2-CeO2,TiO2-Fe2O3半导体及半导体复合光催化材料
◆气敏特性的应用 纳米鼻：美国斯坦福大学纳米碳管制成的纳米鼻。 在室温条件下，造价低廉，长仅有3m，可检测空气中NH3、NO2，可用实验室家庭中有毒气体的报警。 纳米气敏膜：利用纳米气敏膜在吸附某种气体之后所引起的物理参数的变化来探测气体。因此，纳米气敏膜吸附气体的速率越高，信号传递的速度越快，其灵敏度也就越高。研究发现，三氧化二铟纳米晶膜对酒精表现出良好的灵敏度和选择性，而且具有快速的响应恢复性。现已日益引起人们的重视。而且对其进行适当的掺杂，还会大大的提高其灵敏度，现已广泛应用于传感器领域。
纳米生物学 一.利用纳米技术来解决生物学问题 二.利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的分子机器。 纳米科技的最终目的:制造分子机器，而生物体系中存在的大量的生物大分子，被看作是自然界的分子机器。 纳米生物学应该是纳米科技中的一个核心领域
纳米技术与医学 纳米药物的控释、靶向给药系统； 用于诊断和检测的纳米探针、纳米传感器和纳米机器人； 人工关节、口腔修复等人造器官用的生物相容性纳米材料； 基因治疗中的纳米技术
纳米磁性材料(Fe3O4)作载体，将医药负载到载体上，注射到人身体内，随血液循环，定向移动到病变部位，达到定向治疗的目的，局部治疗效果好。德柏林医疗中心：铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹—肿瘤纳米磁性材料(Fe3O4)作载体，将医药负载到载体上，注射到人身体内，随血液循环，定向移动到病变部位，达到定向治疗的目的，局部治疗效果好。德柏林医疗中心：铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹—肿瘤
生物惰性材料 是指化学性能稳定，生物相容性好的生物材料。即把该生物材料植如人体内不会对机体产生毒副作用，机体也不会对材料有排斥反应即材料不会被组织吞噬，又不被排斥出体外，最后被人体组织包围起来。纳米Al2O3和ZrO2等即是生物惰性材料。纳米Al2O3由于生物相容性好、耐磨损、强度高，韧性比常规材料高等特性，可用来制作人工关节、人工骨、人工齿根等。纳米ZrO2也可以制作人工关节、人工齿根等。
科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。
◆其他 纳米镊子：美国哈佛大学前不久研制出纳米镊子，臂宽50nm，长度4m，可以抓住单个分子(在电压8.5V下完全可以合拢)(纳米管一臂带正电，一臂带负电)。 日本研制的纳米镊子仅能夹起糖分子。
纳米润滑油 纳米Cu加入润滑油中，可使润滑油性能提高10倍，并有自修复作用。 纳米金刚石加入润滑油中磨损程度减9.40~50%，金刚石起到“微轴承“作用，对表面有抛光和强化作用。
纳米加工技术－ 通向纳米世界的桥梁 按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料
