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1、第六章纳米材料第一页，本课件共有57页 本章内容本章内容6.1 纳米科技及纳米材料应用进展纳米科技及纳米材料应用进展6.2 纳米材料的制备纳米材料的制备6.3 纳米结构测试技术纳米结构测试技术6.4 纳米材料的应用纳米材料的应用第二页，本课件共有57页6.1 纳米科技及纳米材料应用进展纳米科技及纳米材料应用进展2121世世纪纪，信信信信息息息息科科科科学学学学技技技技术术术术和和和和生生生生命命命命科科科科学学学学技技技技术术术术是是科科学学技技术术发发展展的的主主流流，它它们们的的发发展展将将使使这这些些科科学学技技术术逐逐步步走走向向更更好好、更更快快、更更强强和和更更加加对对环环境境友友
2、好好的的境境地地。一一一一种种种种非非非非常常常常普普普普遍遍遍遍的的的的观观观观点点点点认认认认为为为为，信信信信息息息息和和和和生生生生命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。第三页，本课件共有57页纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑，一些发达国家都投入术，其潜在的重要性毋庸置疑，一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。如美国最早成立了纳米研大量的
3、资金进行研究工作。如美国最早成立了纳米研究中心，日本文教科部把纳米技术，列为材料科学的究中心，日本文教科部把纳米技术，列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。在德国，以汉堡大学和四大重点研究开发项目之一。在德国，以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心，政府每年出资美因茨大学为纳米技术研究中心，政府每年出资65006500万美元支持微系统的研究。在国内，许多科研院所、万美元支持微系统的研究。在国内，许多科研院所、高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，并取得了一定的研究成果，主要如下：并取得了一定的研究成果，主要如下：第四页，本课件共有5
4、7页定向纳米碳管阵列的合成，由中国科学院物理研究所定向纳米碳管阵列的合成，由中国科学院物理研究所解思深研究员等完成。他们利用化学气相法高效制备解思深研究员等完成。他们利用化学气相法高效制备出孔径约出孔径约2020纳米，长度约纳米，长度约100100微米的碳纳米管。并由微米的碳纳米管。并由此制备出纳米管阵列，其面积达此制备出纳米管阵列，其面积达3 3毫米毫米33毫米，碳纳毫米，碳纳米管之间间距为米管之间间距为100100微米。微米。氮化镓纳米棒的制备，由清华大学范守善教授等完成。氮化镓纳米棒的制备，由清华大学范守善教授等完成。氮化镓纳米棒的制备，由清华大学范守善教授等完成。氮化镓纳米棒的制备，由
5、清华大学范守善教授等完成。他们首次利用碳纳米管制备出直径他们首次利用碳纳米管制备出直径他们首次利用碳纳米管制备出直径他们首次利用碳纳米管制备出直径340340340340纳米、长度达微纳米、长度达微纳米、长度达微纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限制反应的概念。并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，制反应的概念。并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，制反应的概念。并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，制反应的概念。并与美国斯坦福大学戴宏杰
6、教授合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。第五页，本课件共有57页准一维纳米丝和纳米电缆，由中国科学院固准一维纳米丝和纳米电缆，由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成。他们体物理研究所张立德研究员等完成。他们利用碳热还原、溶胶利用碳热还原、溶胶-凝胶软化学法并结合凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术，首次合成了碳化纳米液滴外延等新技术，首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体钽纳米丝外包绝缘体SiO2纳米电缆。纳米电缆。用催化热
7、解法制成纳米金刚石，由中国用催化热解法制成纳米金刚石，由中国科学技术大学的钱逸泰等完成。他们用催科学技术大学的钱逸泰等完成。他们用催化热解法使四氯化碳和钠反应，以此制备化热解法使四氯化碳和钠反应，以此制备出了金刚石纳米粉。出了金刚石纳米粉。第六页，本课件共有57页但是，同国外发达国家的先进技术相比，我们还有很大的差距。总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的那样：纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。第七页，本课件共有57页第八页，本课件共有57页扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜在在纳纳米米科科技技中中占占
8、有有重重要要的的地地位位，它它贯贯穿穿到到这这7 7个个相对独立的分支领域中。相对独立的分支领域中。第九页，本课件共有57页6.1.2 纳米材料的种类 纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳纳纳纳米米米米微微微微粒粒粒粒、纳纳纳纳米米米米固体固体固体固体和纳米组装体系。纳米组装体系。第十页，本课件共有57页第十一页，本课件共有57页纳纳米米组组装装体体系系又又可可以以分分为为纳纳米米阵阵列列体体系系、介介孔孔组组装装体体系系和和薄薄膜膜镶镶嵌体系。嵌体系。第十二页，本课件共有57页6.1.3 纳米材料的特异性能纳米材料的特异性能 纳纳米米结结构构材材料料的的
9、特特性性是是由由由由所所所所组组组组成成成成微微微微粒粒粒粒的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸、相相相相组组组组成成成成和和和和界界界界面这三个方面的相互作用面这三个方面的相互作用面这三个方面的相互作用面这三个方面的相互作用来决定的。来决定的。纳纳米米微微粒粒是是由由有有限限数数量量的的原原子子或或分分子子组组成成的的、保保持持原原来来物物质质的的化化学学性性质质并并处处于于亚亚稳稳状状态态的的原原子子团团或或分分子子团团。当当当当物物物物质质质质的的的的线线线线度度度度减减减减小小小小时时时时，其其其其表表表表面面面面原原原原子子子子数数数数的的的的相相相相对对对对比比比比例例例例增增增增大大大大，使
10、使使使单单单单原原原原子子子子的的的的表表表表面面面面能能能能迅迅迅迅速速速速增增增增大大大大。进进入入纳纳米米尺尺度度时时，此此种种形形态态的的变变化化反反馈馈到到物物质质结结构构和和性性能能上上，就就会会显显示示出出奇奇异异的的效效应应，这这里里介介绍绍几几种种最基本的物理效应。最基本的物理效应。第十三页，本课件共有57页1.小尺寸效应小尺寸效应 纳纳米米材材料料中中的的微微微微粒粒粒粒尺尺尺尺寸寸寸寸小小到到与与光光光光波波波波波波波波长长长长或或或或德德德德布布布布罗罗罗罗意意意意波波波波波波波波长长长长、超超超超导导导导态态态态的的的的相相相相干干干干长长长长度度度度等等等等物物物物
11、理理理理特特特特征征征征相相相相当当当当或或或或更更更更小小小小时时时时，晶晶体体周周期期性性的的边边界界条条件件被被破破坏坏，非非晶晶态态纳纳米米微微粒粒的的颗颗粒粒表表面面层层附附近近原原子子密密度度减减小小，使使得得材材料料的的声声、光光、电电、磁磁、热热、力力学学等等特特性性表表现现出出改改变变而而导导致致出出现现新新的的特特性性。人人人人们们们们把把把把纳纳纳纳米米米米颗颗颗颗粒粒粒粒的的的的小小小小尺尺尺尺寸寸寸寸所所所所引引引引起起起起的的的的宏宏宏宏观观观观物理性质的变化称为小尺寸效应。物理性质的变化称为小尺寸效应。物理性质的变化称为小尺寸效应。物理性质的变化称为小尺寸效应。第
12、十四页，本课件共有57页第十五页，本课件共有57页金的熔点金的熔点1064oC，10nm 1037oC，2nm 327oC 银的熔点银的熔点690oC，超细银粉，超细银粉100oC第十六页，本课件共有57页2.表面效应表面效应 第十七页，本课件共有57页3.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应第十八页，本课件共有57页6.2 纳米材料的制备纳米材料的制备 纳米材料的形形态态和和状状态态取取决决于于纳纳米米材材料料的的制制备备方方法法，新材料制备工艺和设备的设计、研究和控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。第十九页，本课件共有57页第二十页，本课件共有57页第二十一页，本课件共有57页6.2
13、.1 纳米粉体的合成 第二十二页，本课件共有57页第二十三页，本课件共有57页第二十四页，本课件共有57页纳纳米米-微微米米复复合合材材料料可可可可细细细细分分分分为为为为晶晶晶晶内内内内型型型型纳纳纳纳米米米米复复复复合合合合材材材材料料料料和和和和晶晶晶晶界界界界型型型型纳纳纳纳米米米米复复复复合合合合材材材材料料料料两两两两大大大大类类类类。但但是是实实际际制制备备中中往往往往二二者者兼兼而而有有之之，很很难难获获得得单单纯纯一一种种纳纳米米相相处于晶内或晶界的纳米处于晶内或晶界的纳米-微米复合材料，详见结构示意图微米复合材料，详见结构示意图6.2-16.2-1。6.2.2 纳米复合材料
14、的制备 第二十五页，本课件共有57页第二十六页，本课件共有57页第二十七页，本课件共有57页()第二十八页，本课件共有57页6.2.3 碳纳米管的制备 日日本本NECNEC公公司司基基础础研研究究实实验验室室的的电电电电镜镜镜镜专专专专家家家家Sumio Sumio IijimaIijima博博博博士士士士也也也也许许许许是是是是第第第第一一一一个个个个看看看看见见见见碳碳碳碳纳纳纳纳米米米米管管管管的的的的人人人人，但但但但绝绝绝绝不不不不是是是是第第第第一一一一个个个个制制制制造造造造者者者者。事事实实上上，旧旧石石器器时时代代的的古古人人也也许许不不知知不不觉觉地地在在他他们们山山洞洞取
15、取暖暖的的火火中中已已经经制制备备出出了了极极少少量量的的碳碳纳纳米米管管。被被加加热热分分解解的的碳碳原原子子在在碳碳灰灰中中重重新新结结合合起起来来，形形成成各各种种各各样样的的产产物物，一一些些是是非非晶晶渣渣块块，另另一一些些是是巴基球或巴基管。巴基球或巴基管。第二十九页，本课件共有57页第三十页，本课件共有57页第三十一页，本课件共有57页6.3 纳米结构测试技术纳米结构测试技术 19811981年年，物物理理学学家家G.G.HinningHinning和和H.H.RohrerRohrer发发明明了了扫扫描描隧隧道道显显微微,简简称称STM STM(Scanning(Scanning
16、 Tunneling Tunneling Microscopy);Microscopy);使使人人类类第第一一次次进进入入原原子子世世界界，19861986年他们为此获得诺贝尔物理奖。年他们为此获得诺贝尔物理奖。19861986年年，诺诺贝贝尔尔奖奖获获得得者者Binnig,Binnig,Quate Quate 和和GerberdGerberd 在在斯斯坦坦福福大大学学发发明明了了原原子子力力显显微微镜镜，简简称称AFM(Atomic AFM(Atomic Force Force Microscope)Microscope)，它它不不仅仅可可以以观观察察导导体体的的表表面面形形貌貌，而而且且可
17、可以以观观察察非非非非导导导导体体体体的的表表面面形形貌貌，弥弥补补了了STMSTM只只能能直直接接观观察导体和半导体之不足。察导体和半导体之不足。第三十二页，本课件共有57页图图6.3-16.3-1所所示示为为STMSTM的的基基本本原原理理图图。在在经经典典力力学学中中，当当势势垒垒的的高高度度比比粒粒子子的的能能量量大大时时，粒粒子子是是无无法法越越过过势势垒垒的的。然然而而，根根据据量量子子力力学学原原理理，此此时时粒粒子子穿穿过过势势垒垒出出现现在在势势垒垒另另一一侧侧的的几几率率并并不不为为零零。这这种种现现象象称称为为隧隧道道效效应应。当当当当针针针针尖尖尖尖和和和和试试试试样样
18、样样面面面面间间间间距距距距离离离离足足足足够够够够小小小小时时时时(0.4nm)(0.4nm)，在在在在针针针针尖尖尖尖和和和和试试试试样样样样面面面面间间间间施施施施加加加加一一一一偏偏偏偏置置置置电电电电压压压压，便会产生隧道效应，电子在针尖和试样面之间流动，形成隧道电流便会产生隧道效应，电子在针尖和试样面之间流动，形成隧道电流便会产生隧道效应，电子在针尖和试样面之间流动，形成隧道电流便会产生隧道效应，电子在针尖和试样面之间流动，形成隧道电流。高分辨率(横向可达0.1nm，纵 向 可 达0.01nm)。探针尖和材料之间加以高压，可以从材料表面吸起一个个原子，附着在针尖上。第三十三页，本课
19、件共有57页图图6.3-26.3-2所所示示为为AFMAFM的的基基本本原原理理示示意意图图，在在悬悬臂臂梁梁上上装装有有微微反反射射镜镜。AFMAFM是是基基于于原原子子间间力力的的理理论论。它它是是利利用用一一个个对对力力敏敏感感的的探探针针探探测测针针尖尖与与样样品品之之间间的的相相互互作作用用力力来来实实现现表表面面成成像像的的。由由于于试试样样面面原原子子排排列列产产生生“凸凸凹凹不不平平”，当当探探针针在在水水平平方方扫扫描描时时，针针尖尖同同试试样样面面间间的的距距离离在在垂垂直直方方向向便便会会产产生生变变化化。由由固固体体物物理理学学理理论可知，当探针针尖同试样面很近时，其间
20、会产生原子间力。论可知，当探针针尖同试样面很近时，其间会产生原子间力。第三十四页，本课件共有57页基基于于STMSTM理理论论，人人们们又又发发明明了了一一系系列列新新型型的的显显微微镜镜。这这些些显显微微镜镜包包括括：激激光光力力显显微微镜镜(LFM)(LFM)、摩摩擦擦力力显显微微镜镜、磁磁力力显显微微镜镜(MFM)(MFM)、静静电电力力显显微微镜镜、扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜、弹弹道道电电子子发发射射显显微微镜镜(BEEM)(BEEM)、扫扫描描隧隧道道电电位位仪仪(STP)(STP)、扫扫描描离离子子电电导导显显微微镜镜(SICM)(SICM)、扫扫描描近近场场光光学学显显微微镜镜
21、(SNOM)(SNOM)和和扫扫描描超超声声显显微微镜镜等等，基基于于这这些些显显微镜的探测技术统称为微镜的探测技术统称为扫描探针显微技术扫描探针显微技术(SPM)(SPM)。第三十五页，本课件共有57页6.3.2 常用仪器 1激光检测原子力显微镜激光检测原子力显微镜 2低温扫描隧道显微镜低温扫描隧道显微镜 3真空扫描隧道显微镜真空扫描隧道显微镜 4弹道电子发射显微镜(BEEM)直接对表面下界面电子性质进行谱学研究，并能以高分辨率成像的实验技术BEEM。第三十六页，本课件共有57页6.3.3 检测技术的应用研究 扫扫描描探探针针显显微微技技术术(SPM)(SPM)所所具具有有的的共共同同特特点
22、点是是都都有有一一个个很很细细的的针尖用作探针：观察、操纵。针尖用作探针：观察、操纵。1.STM1.STM技术的应用研究技术的应用研究 扫扫扫扫描描描描探探探探测测测测显显显显微微微微镜镜镜镜不不不不仅仅仅仅是是是是人人人人们们们们认认认认识识识识纳纳纳纳米米米米世世世世界界界界的的的的工工工工具具具具，还还还还可可可可以以以以用用用用来来来来制制制制造造造造纳纳纳纳米米米米结结结结构构构构，改改改改造造造造世世世世界界界界。例例如如，借借助助它它能能够够通通过过一一个个超超级级尖尖端端来来施施加加电电压压，准准确确地地移移动动原原子子或或分分子子，把把不不同同的的分分子子彼彼此此连连接接起起
23、来来(这这些些分分子子在在自自然然状状态态下下本本来来可可能能永永远远也也不不能能相相结结合合)，构构筑筑出出全全新新的的物质。物质。第三十七页，本课件共有57页在超高真空中，用STM技术移动Si(111)面上的原子形成“中国”字样 原子操作过程的STM像 第三十八页，本课件共有57页由由于于STM对对工工作作环环境境的的要要求求相相当当宽宽松松，可可以以在在大大气气、真真空空、溶溶液液、低低温温、高高温温等等各各种种环环境境下下工工作作，这这使使得得STM技技术术可可以以广广泛泛地地应应用用于于表表面面化化学学研研究究，例如，可以原位研究表面上发生的各种化学反应；研究各种表面吸咐和表面催化问
24、题；直接在溶液中考察电化学沉积和电化学腐蚀过程等。第三十九页，本课件共有57页2.AFM技术的应用研究 AFMAFM是是依依靠靠尖尖端端曲曲率率半半径径很很小小的的微微悬悬臂臂针针尖尖接接触触在在表表面面上上进进行行成成像像，所所得得到到的的图图像像是是针针尖尖与与样样品品真真实实形形貌貌卷卷积积后后的的结结果果，如如图图6.3-76.3-7所所示示，实实线线代代表表样样品品的的真真实实形形貌貌，虚虚线线就就是是针针尖尖扫扫描描所所得得到到的的表表观观图图像像。利利用用AFMAFM针针尖尖与与样样品品之之间间的的相相互互作作用用力力可可以以搬搬动动样样品品表表面面的的原原子子分分子子，实实现现
25、原原子子分分子子操操纵纵，而而且且可可以以利利用用此此作作用用力力改改变变样样品品的的结结构构，从从而而对对其其性性质质进进行行调调制制。目目前前AFMAFM对对于于碳碳纳纳米米管管和和生生物物分分子子的的操纵研究较多。操纵研究较多。第四十页，本课件共有57页无无数数的的生生命命过过程程，如如DNADNA复复制制、蛋蛋白白质质合合成成、信信息息传传递递等等都都是是由由分分子子间间力力控控制制的的，而而AFMAFM对对微微小小相相互互作作用用力力的的灵灵敏敏度度使使其其成成为为探探测测这这些些相相互互作作用用的的有有效效工工具具。单单分分子子力力谱谱和和高高分分辨辨成成像像的的结结合使得分析生物
26、分子的分子内、分子间作用力成为可能。合使得分析生物分子的分子内、分子间作用力成为可能。很很多多科科学学家家利利用用功功能能化化AFMAFM针针尖尖来来研研究究单单个个生生物物分分子子的的力力学学性质。性质。第四十一页，本课件共有57页第四十二页，本课件共有57页6.4 纳米材料的应用纳米材料的应用 6.4.1 纳米材料在高科技中的地位 第四十三页，本课件共有57页图6.4-1 新型纳米材料硬盘，容量增加100多倍 第四十四页，本课件共有57页图6.4-2 颗粒比较：左图为现在存储器介质的表面，右图为新材料的表面磁化颗粒更小，并且排列均匀 第四十五页，本课件共有57页纳纳纳纳米米米米半半半半导导
27、导导体体体体微微微微粒粒粒粒是是是是在在在在纳纳纳纳米米米米尺尺尺尺度度度度原原原原子子子子和和和和分分分分子子子子的的的的集集集集合合合合体体体体，这这这这个个个个过过过过去去去去从从从从来来来来没没没没有有有有被被被被人人人人们们们们注注注注意意意意的的的的非非非非宏宏宏宏观观观观、非非非非微微微微观观观观的的的的中中中中间间间间层层层层次次次次出出出出现现现现许许许许多多多多新新新新问问问问题题题题，例例例例如如如如电电电电子子子子的的的的平平平平均均均均自自自自由由由由程程程程比比比比传传传传统统统统固固固固体体体体短短短短，周周周周期期期期性性性性被被被被破破破破坏坏坏坏，过过过过去
28、去去去建建建建立立立立在在在在平平平平移移移移周周周周期期期期上上上上对对对对电电电电子子子子的的的的布布布布洛洛洛洛赫赫赫赫波波波波已已已已不不不不适适适适用用用用，建建建建立立立立在在在在亚亚亚亚微微微微米米米米范范范范围围围围内内内内的的的的半半半半导导导导体体体体p-np-n结结结结理理理理论论论论对对对对于于于于小小小小于于于于10nm10nm的的的的微微微微粒粒粒粒已已已已经经经经失失失失效效效效。对对对对纳纳纳纳米米米米尺尺尺尺度度度度上上上上电电电电子子子子行行行行为为为为的的的的描描描描述述述述必必必必须须须须引引引引入入入入新新新新的的的的理理理理论，这也将促进介观物理和混
29、沌物理的发展论，这也将促进介观物理和混沌物理的发展论，这也将促进介观物理和混沌物理的发展论，这也将促进介观物理和混沌物理的发展。第四十六页，本课件共有57页第四十七页，本课件共有57页6.4.2 磁学应用 第四十八页，本课件共有57页第四十九页，本课件共有57页第五十页，本课件共有57页6.4.3 纳米催化 第五十一页，本课件共有57页第五十二页，本课件共有57页6.4.4 陶瓷增韧 纳米微粒颗粒小，比表面大并有高的扩散速率，因而用纳纳纳纳米米米米粉粉粉粉体体体体进进进进行行行行烧烧烧烧结结结结，致致致致密密密密化化化化的的的的速速速速度度度度快快快快，还还还还可可可可以以以以降降降降低低低低烧烧烧烧结结结结温温温温度度度度，目前材料科学工作者都把发展纳米高效陶瓷作为主要的奋斗目标。第五十三页，本课件共有57页6.4.5 光学应用 第五十四页，本课件共有57页6.4.6 医学应用 第五十五页，本课件共有57页6.4.7 环保应用 第五十六页，本课件共有57页作业：P322 -1,3,4第五十七页，本课件共有57页