1、纳米材料与纳米技术纳米材料与纳米技术 NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY 1.纳米材料与纳米技术的根本概述 主讲人：吕 军 西南交通大学材料科学与工程学院 Telephone:13558704392 E-mail:junluprchotmail 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
2、系：材料科学与工程学院 开课地点：4305A 任课教师：吕军 课程根本信息课程根本信息 课程的性质和任务课程的性质和任务 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 2022年 2.贾宝贤 李文卓 微纳米科学技术导论 化
3、学工业出版社 2022 3.江雷 冯琳 仿生智能纳米界面材料 化学工业出版社 2022 4丁秉钧 纳米材料 机械工业出版社 2004 5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 纳米概念纳米概念nano-conception Terametre 1Tm=1012m Decimetre 1dm=10-1m Gigametre 1Gm=109m Centimetre 1cm=10-2m Megametre 1Mm=106m Millimetre 1mm=10-3m Gectijukimertre 1hkm=105m De
4、cimillimetre 1dmm=10-4m Myriametre 1mam=104m Centimillimetre 1cmm=10-5m Kilometre 1Km=103m Micrometre 1 m=10-6m Hectometre 1hm=102m Nanometre 1nm=10-9m =10 Decametre 1dam=10m ngstrom unit 1=10-10m Picometre 1pm=10-12m 1 纳米等于10亿分之1米 约为人发直径的1/80000 105 100nm 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
5、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？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根本单元构成的材料。度范围或由它们作为根本单元构成的材料。纳米尺度：纳米尺度：0.10.1100nm100nm 零维纳米材料：三维空间
6、尺度均在纳米尺度零维纳米材料：三维空间尺度均在纳米尺度粉体、粉体、原子团簇、人造超原子、纳米孔洞等原子团簇、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一维纳米材料：在空间有两维处于纳米尺度纳米纳米丝、纳米棒、纳米管等丝、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、超晶格等超薄膜、多层膜、超晶格等 Question:什么是三维纳米材料什么是三维纳米材料 纳米块体纳米块体？如果在X、Y和Z三个方向上都很大，但是这种材料的组成局部是纳米孔、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
7、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？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：给出了目前通用的纳米技术的定义：纳米
8、技术是直接在原子和分子尺度上控制材料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和器件的技术Siegel et alSiegel et al，19991999 纳米技术全概念纳米技术全概念中国中国：在纳米尺度内通过对：在纳米尺度内通过对物质反响、传输和转变的控制来创造新材料、开物质反响、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。尺度内物质运动的新规律和新现象。纳米技术研究可采取纳米技术研究可采取top downtop down和和bottom upbottom up两种方式。两种方
9、式。top downtop down方式是利用机械和蚀刻技术等制造纳米尺度结构，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。是从大做到小的技术。而而bottom upbottom up是在原子和分子尺度创造有机和无机结构，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。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.21,2022)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
10、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技术的主要内涵 纳米材料学纳米材料学 纳米化学纳米化学 纳米物理学纳米物理学 纳米生物学纳米生物学 纳米电子学纳米电子学 纳米力学纳米力学 纳米加工学纳米加工学 .纳米结构纳米结构 以纳米尺度的物质单元为根底，按一定规以纳米尺度的物质单元为根底，按一定规律构筑或营
11、造的一种新体系。包括：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自组装纳米结构：通过弱的和较小方向性的非共价键如的非共价键如H H-Bond,Van de Wals Bond,Van de Wals Force and weak Ion Bond Force and weak Ion Bond 协同作用，把协同作用，把原子、离子或分子连结在一起构成一个纳原子、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。纳米材料特有的效应。人工组装纳米结构：主要有模板合成人工组装纳米结构：主要有模板合成碳碳纳
12、米管模板，介孔模板，分子筛模板等纳米管模板，介孔模板，分子筛模板等，微细加工微细加工电子束、电子束、X X射线光刻，纳米压射线光刻，纳米压印术，束流加工，印术，束流加工，LIGALIGA技术等技术等；原子、；原子、分子操纵。分子操纵。in a selective solvent Nano Capsule Nano Crystal in bulk 组装改变纳米结构组装改变纳米结构 纳米材料与结构的奇异特性纳米材料与结构的奇异特性 小尺寸效应小尺寸效应 高外表效应高外表效应 体积效应体积效应 量子尺寸效应量子尺寸效应 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 介电限域效应介电限域效应 库仑堵塞效应库仑堵塞
13、效应 纳米技术为什么引起重视纳米技术为什么引起重视纳米效应纳米效应 小尺寸效应小尺寸效应：纳米微粒尺寸相当或小于光波波长：纳米微粒尺寸相当或小于光波波长、传导电子的传导电子的德布罗意波长德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸时时，表现出新的光表现出新的光、电电、声声、磁磁、热力学等效应热力学等效应。原原 因因：晶体周期性边界条件被破坏：晶体周期性边界条件被破坏，材料表层附近原子密材料表层附近原子密度减小所致度减小所致。高外表效应：纳米粒子的外表原子数与总原子数之比随粒径高外表效应：纳米粒子的外表原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大减小
14、而急剧增大。由于外表原子数增多由于外表原子数增多，外表原子配位数缺外表原子配位数缺乏和高的外表能乏和高的外表能，使这些原子易于其它原子结合而稳定下来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从而具有很高的化学活性。引起外表电子自旋构象和电子能引起外表电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒外表原子输送和构型的变化谱的变化；纳米微粒外表原子输送和构型的变化。Cubic Nano-粒径/nm 体积效应体积效应：由于纳米粒子的体积极小：由于纳米粒子的体积极小，许多现象不能用有无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限个原子的块状物质的性质加以说明，即称为体积效应即称为体积
15、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：NFE34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 V-1 1 1/d 1/d3 3 宏观物体N；纳米材料，N较少.量子尺寸效应量子尺寸效应：当能级间距：当能级间距 大于热能大于热能、磁能磁能、静磁能静磁能、静电能静电能、光子光子能量或超导态的凝聚能时能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效
16、应必须考虑量子效应。即导致纳米微粒的磁即导致纳米微粒的磁、光光、声声、热热、电电、超导电性与宏观特性的显著不同超导电性与宏观特性的显著不同，即称量子尺寸效应即称量子尺寸效应。例如例如，颗粒的磁化率颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇比热容与所含电子的奇、偶数有关偶数有关，相应会产生相应会产生光谱线的频移光谱线的频移，介电常数变化介电常数变化，催化性质不同等催化性质不同等。Cubic semiconductor 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们人们发现微颗粒的磁化强度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称为宏观的量子隧道效应。202/)(2Emkepkz量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的根底，确立了现有微电子器件进一步微型化的根底，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。限制，必须考虑量子效应。介电限域效应：当纳米材料被空气介电限域效应：当纳米材料被空气、聚