纳米材料与纳米技术的基本概述.ppt
纳米材料与纳米技术,NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY,1.纳米材料与纳米技术的基本概述,主讲人：吕 军,西南交通大学材料科学与工程学院,E-mail:,课程中文名称：纳米材料与纳米技术课程英文名称：Nanomaterials and Nanotechnology课程编号：H01217课程类型：硕士专业优选课总学时数：34学 分：2学分开课学期：2学期考核方式：考试适用专业：材料加工工程、材料科学与工程、材料科学与工程一级学科、材料物理与化学、材料学开课院系：材料科学与工程学院开课地点：4305A任课教师：吕军,课程基本信息,课程的性质和任务,本课程是硕士研究生的一门专业优选课，它研究了纳米材料的结构和性能及制备方法，以及纳米材料的应用以及纳米科技的新进展。本课程主要任务是使学生对纳米材料这样一种新的材料具有一个比较广泛的了解。为以后工作、学习及毕业论文实验提供必要的知识面和方法。,建议教材及主要参考书,教材：周瑞发 韩雅芳 陈祥宝 纳米材料技术 国防工业出版社 2003参考书：1徐云龙 赵崇军 钱秀珍 纳米材料学概论 华东理工大学出版社 2008年2.贾宝贤 李文卓 微纳米科学技术导论 化学工业出版社 20073.江雷 冯琳 仿生智能纳米界面材料 化学工业出版社 20074丁秉钧 纳米材料 机械工业出版社 20045许并社等 纳米材料及应用技术 化学工业出版社 2004,周瑞发 韩雅芳 陈祥宝 纳米材料技术 国防工业出版社 2003,纳米概念（nano-conception）,1 纳米等于10亿分之1米 约为人发直径的1/80000,105,RFeynman,美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼在1959年美国物理学协会会议上所作的题为“Theres Plenty of Room at the Bottom”的演讲，他指出：“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性”，“如果我们对物体微小规模上的排列作某种控制，我们就能使物体得到大量异常的性能，看到材料性能产生丰富的变化”。预言中指的材料即是现在的纳米材料。,纳米材料的起缘,什么是纳米材料？,纳米材料是旨在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米尺度：0.1100nm零维纳米材料：三维空间尺度均在纳米尺度（粉体、原子团簇、人造超原子、纳米孔洞等）一维纳米材料：在空间有两维处于纳米尺度（纳米丝、纳米棒、纳米管等）二维纳米材料：在三维空间中有一维处于纳米尺度（超薄膜、多层膜、超晶格等）,Question:什么是三维纳米材料（纳米块体）？,如果在X、Y和Z三个方向上都很大，但是这种材料的组成部分是纳米孔、纳米粒子或纳米线，我们称为三维纳米结构材料。,单一的V2O5纳米片晶可以组装成具有鸟巢状（b）、线团状（c）和刺猬状（d）的空心微球。,纳米技术的起缘,日本学者Taniguchi于1974年在东京举办的有关生产工程的国际会议上，提交了题为“On the basic concept of nano-technology”一文，“纳米技术（nano-technology）”一词首次面世。1987年英国Franks Albert教授定义纳米技术为“在0.1100纳米尺度范围起关键作用的技术”。,什么是纳米技术？,美国有关纳米科学、工程和技术的部际间工作组给出了目前通用的纳米技术的定义：纳米技术是直接在原子和分子尺度上控制材料和器件的技术（Siegel et al，1999）纳米技术全概念（中国）：在纳米尺度内通过对物质反应、传输和转变的控制来创造新材料、开发新器件及充分利用其特殊性能，并探索在纳米尺度内物质运动的新规律和新现象。,纳米技术研究可采取top down和bottom up两种方式。top down方式是利用机械和蚀刻技术等制造纳米尺度结构，是从大做到小的技术。而bottom up是在原子和分子尺度创造有机和无机结构，是从小做到大的技术。,2月21日出版的自然杂志在Research Highlights栏目(Nature,Vol.451,p868,Feb.21,2008)以Lithography:Luminous Lizards为题报道中国科学院理化技术研究所利用多光子纳米加工技术进行纳米复合材料三维微纳结构加工研究取得的进展。他们利用纳米粒子尺寸可控原位合成技术与多光子三维微纳结构加工技术，制备出了包括具有多种颜色荧光的细胞尺寸三维微米牛等多种三维微结构，并发现在尺寸较小部位具有较强的发光强度。自然杂志在Highlight中指出，上述动物造型在原理上证明：此方法可被用于制备微型发光器件。,纳米技术的主要内涵纳米材料学纳米化学纳米物理学纳米生物学纳米电子学纳米力学纳米加工学.,纳米结构 以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系。包括：自组装纳米结构：通过弱的和较小方向性的非共价键如H-Bond,Van de Wals Force and weak Ion Bond 协同作用，把原子、离子或分子连结在一起构成一个纳米结构或纳米体系。这种结构或体系具有纳米材料特有的效应。人工组装纳米结构：主要有模板合成（碳纳米管模板，介孔模板，分子筛模板等），微细加工（电子束、X射线光刻，纳米压印术，束流加工，LIGA技术等）；原子、分子操纵。,组装改变纳米结构,纳米材料与结构的奇异特性,小尺寸效应高表面效应体积效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应介电限域效应库仑堵塞效应,纳米技术为什么引起重视纳米效应,小尺寸效应：纳米微粒尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸时，表现出新的光、电、声、磁、热力学等效应。原 因：晶体周期性边界条件被破坏，材料表层附近原子密度减小所致。,高表面效应：纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大。由于表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易于其它原子结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子输送和构型的变化。,Cubic,Nano-,粒径/nm,体积效应：由于纳米粒子的体积极小，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称为体积效应。,久保（Kubo）理论把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距和粒径d存在以下关系：,式中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数；V为纳米粒子的体积；EF为费米能级。随着粒径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将因此而变成绝缘体。,V-1 1/d3,宏观物体N；纳米材料，N较少.,量子尺寸效应：当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应。即导致纳米微粒的磁、光、声、热、电、超导电性与宏观特性的显著不同，即称量子尺寸效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶数有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化，催化性质不同等。,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。人们发现微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。,量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的基础，确立了现有微电子器件进一步微型化的限制，必须考虑量子效应。,介电限域效应：当纳米材料被空气、聚合物、玻璃或溶剂等介质包围，由于介质与纳米材料折射率差异（通常是介质的折射率低于纳米材料），导致电磁波（如阳光）照射时产生界面，在纳米材料粒子表面、甚至内部局域场强比辐射电磁波的强度增大的效应。,介电限域效应的产生机理：由于纳米材料中电子的平均自由程被局限于很小的范围，与电子分离的空穴很容易形成激子，引起电子和空穴的波函数重叠，产生激子吸收带，引起激子的振子强度和吸收系数增加。,激子（exciton）：被激发的电子由于库仑作用与分离的空穴相互联系在一起，形成的一种中性非传导的束缚状的电子激发态。,科学家利用激子特性研发新代高速计算机：以激子作为基础的晶体管。,库仑堵塞效应：库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一，涉及单电子的输运行为。当体系的尺度进入到纳米级(一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米)，体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，把这个能量称为库仑堵塞能，是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。,利用此原理可制成室温下工作、微小的场效应三极管。,纳米材料的发展现状,纳米材料的发展趋势国内外知识产权状况,在标题和专利说明中检索的与纳米技术相关的专利变化,世界范围内已授权公开的关于纳米科技的专利领域和区域分布,我国纳米技术专利主要集中在纳米材料领域,世 界,中 国,国内外政府重视和发展状况,美国：1998年拟定并与2000年2月宣布启动“国家纳米科技计 划”。2001年财政年度计划拨款4.95亿美圆,实际为6.7亿美圆,2002年计划为7.3亿美圆。1997年对纳米基础研究支持了1.16亿美圆。2005年国家纳米计划预算10亿美元。德国：建立政府与企业联合的研发中心，并启动国家级的研究计划（6500万美圆/年）。法国：决定投资8亿法郎建立有3500人参加的纳米技术中心和研究网。日本：每年投资2亿美圆以上推动新的国家计划和新的研究中心建设。英国：1986年提出国家纳米计划（3300万英镑/年）。韩国：十年发展规划，每年投资1.2亿美圆支持本国的纳米技术研究开发。,2003年欧盟及其各国政府投资纳米技术的经费（单位：百万欧元）,2003年欧盟15、25国及其成员国与美、日政府投入的纳米技术人均经费（欧元）,1999-2003年美国政府和私营企业风险资本对纳米技术的投资（百万美元）,2003年中国等国家（地区）政府投资纳米技术的经费（单位：百万美元）,前景预测,纳米技术的市场前景预测,需求状况,1、电子信息产业,2010年纳电子器件的尺寸将达到100纳米，其性能呈指数倍提高。纳米技术在电子信息产业中的应用，将成为21世纪经济增长的一个主要发动机，它所带来的经济价值是难以估量的。,2、生物医药产业 纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等领域有重大应用。2015年，纳米技术在生物医药领域中的应用，全球市场将达到2000亿美元。,3、环保与能源产业纳米能源材料在解决21世纪能源危机问题上，将获得重大进展，其国内的市场需求可达80亿美元以上。,4、传统产业改造 纳米材料和技术在汽车产业中的应用存在巨大的商机。纳米催化剂在化纤行业的推广可带来数10亿美元的收益。纳米功能氧化物填充材料的市场需求将超过20亿美元。,纳米材料具有极高的表面活性，作为化工催化剂具有广泛的应用市场，Mobil Oil Co.每年仅ZSM负载型催化剂得到的收益就超过15亿美元。,纳米材料为建筑材料的发展将带来一次前所未有的革命，以PVC塑钢门窗为例，近几年我国每年城乡工业和民用建筑的建造量平均约12亿2，需要门窗亿2，年需塑钢门窗约3000万，年需要硬PVC异型材约30万吨。,纳米晶金属软磁材料的应用对电力电子行业各类产品的更新换代将产生重大影响。未来5年的市场将达数十亿元。,纳米硬质合金在难加工和精密加工领域具有广阔的应用前景和市场需求，仅钨基合金的市场需求量约为20亿元左右。纳米润滑添加剂具有十分广阔应用前景，市场需求巨大。以机油润滑添加剂为例，每年可创产值10亿元。,2000年，纳米粉体、纳米复合陶瓷及其它复合材料的市场容量为5457亿美元，纳米超精度加工技术市场容量442亿美元。,5、国防军工领域,纳米隐身材料可解决雷达波吸收材料与红外隐身材料的兼容与复合问题，在国防军工领域具有重要的应用。,国内近期重点,我国纳米科技重大事件,1993年，中科院院北京真空物理实验室：操纵原子写“中国”，标志着我国科学家已进入了操纵原子的阶段。1997年，清华大学范守善小组：制备出直径3-50nm，长度为微米级的氮化镓半导体一维纳米棒晶体，并提出探索纳米管限制反应的概念，曾被科学评为当年十大科学突破之一。1998年，科学杂志刊载我国科学家论文：从四氮化碳通过水热法制备了纳米金刚石粉体。1998年，中科院物理所解思深小组：制备了长达2mm的纤维级碳纳米管，成果发表于Nature上。用纯净碳纳米管合成技术合成的大面积定向纳米管系列发表于Science。,我国纳米科技重大事件（continuing),1999年，北京大学薛增泉小组：首次将碳纳米管组装树立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的STM probe.1999年，中科院沈阳金属所成会明博士：合成了超级储氢nano-carbon tube。2000年，中科院沈阳金属所卢柯博士：首次发现纳米金属铜的超塑延展性,第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的（Science,2000)。张立德教授（中科院固体物理所）：用溶胶-凝胶与碳热还原相结合并利用纳米液滴外延技术首次合成准一维纳米丝和纳米电缆，国际上受到高度重视。1996年，钱逸泰先生：用-射线辐射法和苯热合成技术相结合，制备了GaN纳米晶以及多种纳米份体材料，发表于Science上（1996；1998）。,我国政策指导（国家“十一五”新材料发展战略报告）,特色纳米材料与纳米结构1、纳米生物医用材料2、纳米稀土材料3、纳米信息材料4、纳米晶须材料5、纳米隐身材料6、纳米高分子材料7、纳米复合材料,结束语,1993年，因发明STM而获得诺贝尔奖的科学家罗雷尔博士曾写信给江泽民主席。他指出：“许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米科技已经具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。不幸的是，目前对这一新领域持保留和怀疑态度的还大有人在。我们应当记住，微米曾同样地被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛和耕犁毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。”罗雷尔博士的话精辟地阐述了纳米科技对社会的发展将要起的重要作用。纳米科技的发展和实用化必将促进人类文明的进步。让我们满怀信心地迎接纳米科技时代的到来吧！,Thanks For Your Attention!,Southwest Jiaotong University,Chengdu,ChinaMarch 01,2011,
