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1、纳米材料 Nanoscale Materials,卢启芳,考核方式,总评成绩 = 平时成绩 + 期末考试成绩（卷面成绩低于等于53分，不计算平时成绩） 平时成绩占 30% （考勤(20%) + 作业(10%)） 期末成绩占 70%,课堂纪律,按时出勤，有事请假（以团总支的假条为准） 上课后15分钟不准进教室 课堂不准吃东西；手机要静音，不准接听电话；不准带耳机,参考书： 1、纳米材料，丁秉钧著，机械工业出版社。 2、纳米材料与纳米结构，张立德等著，科学出版社。 3、纳米材料和器件，朱静等著，清华大学出版社 4、国外著名杂志：Science; Nature; Angew. Chim. Int.
2、Ed. 德国应用化学; J. Am. Chem. Soc. 美国化学会志; Adv. Mater.先进材料; Nano Letters纳米快报,第一章 纳米材料及纳米科学技术概述 第二章 纳米材料制备 第三章 纳米材料的检测分析技术 第四章 纳米材料的应用,主要内容,第一章 纳米材料及纳米科学技术概述 教学目的：了解纳米材料及纳米科技的基本内涵、发展历史、最新进展和趋势。 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。,难
3、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, Nanodevice，Top-down, Bottom-up.,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
4、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),“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。 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。,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 nm到
5、100 nm大小。 在纳米级别，一些传统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。,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。,新华网洛杉矶2007年2
6、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。 2008年3月，据英国新科学家杂志报道，纳米材料、转基因农作物、人造病毒和仿生机器人等25个因素将严重威胁未来的地球环境，纳米材料居榜首 。,2008年美国探索杂志列举的9大最佳纳米产品： 1、纳米啤酒瓶纳米复合材料 米勒醇酒公司采用黏土纳米材料制造塑料啤酒瓶，可保留二氧化碳，不让氧气轻易进入，避免啤酒变质，而且不易碎裂。但一些消费者关注纳米材料用于
7、食物包装是否安全，是否它们会像灰尘一样对人体无害。,2、纳米防弹衣 “首选防弹衣”公司使用Nanorepel纳米材料制造新型防弹衣，具有更出色的防御安全性能。在子弹击中人体的瞬间，这种纳米防弹衣纤维层表面的有机分子薄层将冻结加固，锁定子弹的作用力于防弹衣表面，作用力将扩散至身体更广的范围，从而缓冲子弹对人体的伤害。,Nanorepel是一种先进的纳米技术表面密封剂。 它几乎适用于所有表面，例如玻璃、陶瓷、金属、木制品、纺织品、皮革、混凝土、石制品以及其它矿物基制品。 Nanorepel 丰富的应用领域吸引了各个行业的用户 从纺织品和皮革行业、清洁剂维护服务供应商、汽车、铁路和航空业，到使用自己
8、的商标提供表面密封剂的批发商。,3、纳米电池 日常充电电池中，锂离子从钴酸锂正极快速地穿过隔膜抵达碳负极，这种传统充电电池功率较低，很快就会耗完电，使用时还很容易着火或爆炸。 美国MIT的常业明教授采用新型纳米材料磷酸铁锂代替正极，可以大幅改善充电电池的性能。目前，一些公司现已开始使用这种纳米电池应用于高功率电器和仪器，这种电池安装在雪佛莱电动汽车，该款汽车于2010年上市。,4、金纳米微粒用于遗传基因测试 Verigene医疗系统采用金纳米微粒涂层对DNA分子鉴别关键性的蛋白质和重要基因，仅仅按一下按钮便能进行复杂的血液测试，完成医学诊断。,5、纳米等级汽车光泽剂 如果汽车使用普通光泽剂，涂
9、上之后会出现漩涡状痕迹，或者出现难看的光泽或雾状结构。 汽车美容公司“神鹰1号”称，使用纳米等级巴西棕榈蜡将永远保持清洁。由于棕榈蜡微粒非常小，它们呈现出透明状。它们的分子尺寸大小能够填充细微的瑕疵。目前，防晒霜制造商在生产防晒霜时也采用了纳米等级的氧化锌。,6、纳米太阳能电池板 太阳能电池的价格非常昂贵，其原因是它们很难制造。多数太阳能电池是在真空室制造的。 目前，纳米太阳能技术可将太阳能电池技术实现得更加便捷，该技术可以在廉价金属薄片上打印纳米微粒，制造出可打印的太阳能电池板。,7、纳米网球 威尔逊体育用品公司采用由纳米科技公司InMat研制的纳米技术制造出高端双核网球，这种黏性纳米微粒技
10、术将使网球更加坚硬、使用时间更长。 但是美国网球爱好者们并不想购买价格昂贵的网球，威尔逊公司不得不停止这种纳米网球的制造生产。,8、纳米止血绷带 美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学家莎拉贝克 等意识到铝矽酸盐(NaAlSi3O8)。纳米微粒可影响人体自然的凝血进程，并已经使用铝矽酸盐纳米微粒测试了患者的凝血功能。 这种纳米绷带已申请了专利权，预计在战场上可以止住严重的伤口流血，能够有效地挽救战场上的受伤士兵。,1.1 基本概念和内涵,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
11、最大起点，下限是无限小的领域。 基本粒子：电子、质子、中子等。,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(1-100 m)、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。,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。 纳米体系和团簇从这种介观范围独立出来，形成一个单
12、独的领域(狭义的介观领域)。,1.1 基本概念和内涵,关于量子相干现象的解释 http:/ 中国科技大学博士学位论文量子相干现象的直观描述,1.1.1 基本概念,纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1 nm=10-9m=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。,1、纳米 （nanometer）,1.1 基本概念和内涵,Dmetal=0.30.4 nm Red blood cell：200-300 nm; Bacterium：200-600 nm； Virus：10-
13、50 nm,想象一下纳米有多大？,我见过也吃过大米、小米、玉米就是没见过也没尝过纳米，谁能告诉我纳米是啥样子的？哪里有买？多少钱一斤？ 应该是糯米吧！样子跟一般的大米一样，一元几一斤 。,国际单位制中，长度的标准单位是“米”，用符号“m”表示。 其他的长度单位还有：光年、天文单位、拍米（Pm）、兆米(Mm）、公里千米 (km）、分米(dm）、厘米(cm）、毫米(mm）、丝米(dmm）、忽米(cmm）、微米（m）、纳米(nm）、皮米(pm）、飞米(fm）、阿米(am ),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
14、 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,胶体化学之父格雷哈姆,18611864年间格雷哈姆基于对胶体进行的大量实验，区别了胶体和晶体的不同概念，首先提出了“胶体”这一名称。他采用半透膜的渗析法将晶体溶质粒子与胶体粒子分离，从而纯制了胶体。他还区别了溶胶和凝胶，并指出硅酸和氢氧化铝沉淀均属于凝胶。还研究了凝胶的“胶溶”现象和“脱水收缩”现象。 他
15、提出了胶体的英文名称(colloid)，导致一门有系统性的新学科胶体化学的建立。,诺贝尔奖获得者Feynman在六十年代曾经预言：“如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化”。 “如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么!” 这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界”。,1959,1962,针对金属超微粒子的研究,提出了著名的久保理论。推动了实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索。,超微粒子中由于原子数的减少,使能带中的能级间隔加大,变为不连续能级,金属超
16、微粒子中具有类似孤立原子中的能级的不连续性,在低温下,即费米能级附近的平均能级间隔大于kT时, 金属超微粒显示与块体材料有显著不同的物理性质。,1985年，英国Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇，质谱分析发现C60和C70的新的谱线。 C60具有高稳定性的新奇结构，它是由32面体构成，其中有20个六边形和12个五边形所构成。 纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后就成为具有金属性的导体，适当的掺杂成分可以使C60固体成为超导体。从此，对 C60的研究热潮应运而来。,Kroto教授由于发现C60 获得1996年诺贝尔化学奖。,1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会
17、议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。 会上正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术的正式学术刊物。,1994年在美国波士顿召开的材料研究学会MRS(Materials Research Society)秋季会议上正式提出纳米材料工程。,现在，人们关注纳米尺度颗粒、原子团簇、纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米电缆和纳米组装体系。 纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，如人造超原子体系、介孔组装体系、有序阵列等。,1.1.2 纳米材料发展的三个阶段,第一阶段（19
18、90年以前） 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。,第二阶段（1994年前） 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。,第三阶段（从1994年到现在） 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结
19、构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。,物质是由原子构成的，其性质依赖于这些原子的排列形式。 如果我们将煤炭中的原子重新排列，就能得到钻石； 如果向沙子中加入一些微量元素，并将其原子重新排列，就能制成电脑芯片；而土壤、水和空气的原子重新排列后就能生产出马铃薯。 听起来是不是有点玄？不过这决非天方夜谭，如果你能走进纳米世界，了解纳米技术，就会知道上述目标的实现指日可待。,1.1.3 纳米结构涵义、分类、纳米结构单元,罗雷尔 “本世纪五十年代重视微米技术的国家，现在都取得了很大的发展，同样，现在重视纳米科技的国家，将在二十一世纪获得高速发展。” Amotrong “正像
20、七十年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下世纪信息时代的核心。”,纳米材料(nanomaterials)又叫超微颗粒材料是指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（也称纳米结构)，即材料的显微结构尺寸处于纳米范围（包括微粒尺寸、晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均达到纳米级水平）。 粒径在1-100nm之间的材料称为纳米材料。,纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒； 其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，
21、材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性。,1.1 基本概念和内涵,纳米研究的范围是1到100纳米，01纳米是单个氢原子的尺寸，因此所谓01纳米层面的“纳米技术”是不存在的。,（2） 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,1.1 基本概念和内涵,1） 人和动物坚硬牙齿的外表面，即牙釉质，是由纳米尺寸的微晶
22、组成。 2） 天体陨石的碎片和海洋中存在的亚微米胶体粒子 3） 蜜蜂的定向 蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向。最近，英国科学家发现，蜜蜂利用罗盘来判明方向。,2 自然界的纳米结构和纳米技术,4） 螃蟹的横行磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱 磁性超微粒子的发现为了解螃蟹的进化历史提供了十分有意义的科学依据。 据生物科学家最近研究指出，人们非常熟悉的螃蟹原先并不像现在这样“横行”运动，而是像其他生物一样前后运动，这是因为亿万年前的螃蟹第一对触角里有几颗用于定方向的纳米微粒，就像是几只小指南针。螃
23、蟹的祖先靠这种“指南针”堂堂正正地前进后退，行走自如。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横行。,真正利用磁性纳米微粒导航，进行几万公里长途跋涉的是大海龟。 美国科学家一直对东海岸佛罗里达的海龟进行了长期的研究，发现了一个十分有趣的现象：这就是海龟通常在佛罗里达海边上产卵，幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一侧靠近英国的小岛附近海域生活，从佛罗里达到这个岛屿的海面再回到佛罗里达来回的路线不一样，相当于绕大西洋一圈，需要5-6年的时间，这样准确无误地航行靠什么导航(为什么海龟迁移的路线总是顺时针的)? 最近美
24、国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微粒，它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万里的迁移。这些生动的事例告诉人们，研究纳米微粒对研究自然界的生物也是十分重要的，同时还可以根据生物体内的纳米微粒为我们设计纳米尺度的新型导航器提供有益的依据，这也是纳米科学研究的重要内容。,5） 莲花效应 莲花出污泥而不染 荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。,6）壁虎飞檐走壁 每只脚底部长着数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有约400根至1000根更细的分支。这种精细结构使
25、得刚毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。 动植物按照微基准来说，就是纳米机器的组合体。这些纳米机器，就是人们熟知的蛋白质。,7） 水黾的腿部表面是纳米结构,一种常见的生活在池塘、河流和溪水表面的昆虫水黾为何能毫不费力地站在水面上，并能快速地移动和跳跃？通过对其腿部微观结构的观察，我们发现水黾的这种优异的水上特性是利用其腿部特殊的微纳米结构与其表面油脂的协同效应实现的。图为水黾腿部的微观结构电镜照片,8)色彩斑斓的蝴蝶-不同尺寸的纳米粒子对光的散射的结果 9）蜘蛛丝具有超强的弹性和韧性，是因为具有纳米结构。,蜘蛛丝可望用于制造高强度材料,俄罗斯科学院基因生物学研究所专家正在积极研究
26、利用蜘蛛丝来制造高强度材料。 蜘蛛腹部后方有一纺绩器，内通纺绩腺。该腺体分泌的蛋白质粘液能够在空气中凝结成极牢固的吉林省丝。 据俄莫斯科共青团员报报道，俄科学院基因生物学研究所专家在对由吉林省丝编结成的、具有一定厚度的材料进行实验时发现，这种材料硬度比同样厚度的钢材高9倍，弹性比最具弹力的其它合成材料高两倍。专家认为，对上述吉林省丝材料进一步加工后，可用其制造轻型防弹背心、武器装备防护材料、车轮外胎、整形手术用具和高强度鱼网等产品。,【阅读材料】,10）无意识的纳米技术方面,中国古代利用蜡烛来燃烧收集碳黑作为墨的原料（中国古代字画历经千年而不褪色），是最早的纳米材料。 中国古代铜镜表面的防锈层
27、经检验为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。 古代的宝剑等微晶化增强已经得到科学证实。 但当时人们并不知道这其中的原因，不知道是纳米技术的作用，因为人的肉眼根本就看不到纳米尺度小颗粒。他们只知道这样的工艺所做的工件好。,3. 纳米科技(Nano-ST) （1）纳米科技：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(107)到十亿分之一米(109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。,1.1 基本概念和内涵,（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
28、米区域的性质和现象。 (基础，目标，前提),1.1 基本概念和内涵,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制造出具有特定功能的产品。,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）纳米计量学等。 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。,（3）目前该领域的主要研究内容： A 制备纳米尺寸范围材料的相关技术 液相法：如沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、聚合法、化学镀法。 气相法：如蒸发法、电弧法
29、、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。,1.1 基本概念和内涵,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，量子尺寸效应，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、生物活性等。 E 纳米体系物质的应用 如Nano-Pd/Al2O3：CO助燃剂； 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
30、电池正极材料等。,1.1 基本概念和内涵,4. 纳米器件 (1) 所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。 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),1.1 基本概念和内涵,集成电路的制造尺寸，必须以微米来计量。微米是毫米的千分之一。一根头发丝的直径约为微米，细菌的大小约为微米微米，烟尘的微粒直径还不到微米，而病毒通常只有.微米左右。但在微电子技术中，微米可以容纳很多晶体管。在硅芯片上制成晶体管集成电路，要在极小的面积上施工制造，最关键的技术是使晶体管的线宽要微缩，这样才能
31、使晶体管和集成电路之间紧密地编织到最小的空间里。在只有头发丝直径大小的硅片上，当线宽为微米时，就可以容纳个晶体管；如线宽为.微米，晶体管可达个；线宽减到.微米，则晶体管可达个以上。在如此微细的空间里进行电路安排和制作，只能在极高倍的隧道扫描显微镜下操作。年代初期，集成电路中晶体管的线宽为微米微米；年代中期至年代中期，线宽缩小到微米；年代中期以后，线宽缩小到微米以下。随着线宽的不断缩小，集成电路的集成度和存贮信息量不断提高。线宽为微米时，集成度可高达数万至百万级；当线宽小于微米时，集成度可高达兆兆百万信息量。,微米技术,(2) 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、
32、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。,1.1 基本概念和内涵,(3) 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。 特点：尺寸从大到小 “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
33、污染。 如化学合成、自组装、定位组装等。,1.1 基本概念和内涵,5. 纳米尺度的检测和表征 纳米尺度的检测与表征：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、光学等特性。 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。,1.1 基本概念和内涵,6. 纳米科技的诞生 1861年前后，胶体化学诞生，研究对象为1100nm的粒子系统。 1959年，美国物理学家R. Feynman发表 “Theres Plenty of Room at the Bottom”（在底部还有很大空间）的著名讲话 1962年，日本物
34、理学家久保亮武(R.Kubo)提出针对金属超微粒子的著名的久保理论，即超微粒子的量子限域理论。,1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。 1981年，苏黎世IBM研究所G. Binnig和H. Rohrer发明扫描隧道显微镜（STM），使科学家能直接看到原子和分子的电子结构，同时也实现了人们直接操纵原子和分子的梦想，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。,1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正
35、式诞生。,1990年，美国加州IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在时代周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。 每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近 Xe原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。,在Xe原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上、将吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬迁排列起来、构成一个身高仅5nm的世界上最小的人的图
36、样。 用来构成这图样的CO分子间距离仅为0.5nm, 人们称它为 “一氧化碳小人“。,1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。,来自同一实验室的科学家又用48个铁原子排列在铜表面上组成了汉字“原子”两字。汉字的大小只有几个纳米。,科学家们从这种能操纵单个原子的纳米技术中，看到了设计和制造分子大小的器件的希望。,1991年1月，日本筑波NEC实验室的饭岛澄男(S. Iijima)首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管，这些碳纳米管为多层同轴管，也叫巴基管(Bucky tube)。 1993年，美国IBM公司Almaden实验
37、室Bethune等人和Iijima同时报道了观察到单壁碳纳米管(Single-walled Carbon Nanotubes)。,2000年10月，美国宾州大学研究人员在Science上发表文章称，纳米碳管的质量是相同体积钢的六分之一，却具有超过钢100倍的强度，不仅具有良好的导电性能, 还是目前最好的导热材料。 最新的研究表明，碳纳米管当中的空腔不仅可以充当微型试管、模具或模板，而且将第二种物质封存在这个约束空间还会诱导其具备在宏观材料中看不到的结构和行为。计算机模拟显示，封存在碳纳米管中的水能够以新的冰相存在，在合适的条件下，碳纳米管中液相和固相的明显界线将会消失，液体物质将会连续地转变成
38、固体，而不发生明显的凝固过程。,诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。,从发现纳米碳管始，科学家们不断研制出越来越细的纳米碳管。 2000年，解思深组利用常现电弧放电方法制备出内径为 0.5nm的碳纳米管。 同年，香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了世界上最细的纯碳纳米管0.4nm碳管，这一结果已达到碳纳米管的理论极限值。 12月柏林的马克斯玻恩研究所研制出1nm直径的薄壁纳米管，创出薄壁纳米管研制的新记录。,1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比
39、现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的 “秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。,1998年，中国科技大学钱逸泰院士的研究组用催化热解法，从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金”。 1999年，北京大学电子系薛增泉教授的研究组在将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，组装出性能良好的扫描隧道显微镜用探针。 同年，中科院金属所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究跃上世界先进水平。,2000年4
40、月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。 2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。 这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。,2000年，美国朗讯公司和英国牛津大学的科学家用DNA的碱基配对机制制造出了一种每条臂长只有7纳米的纳米级镊子。,2001年初，中国科技大学朱清时院士的研究组首次直接拍摄到能够分辨出化学键的C60单分子图像，这种单分子直接成像
41、技术为解析分子内部结构提供了有效的手段，使科学家可以人工“切割”和重新“组装”化学键，为设计和制备单分子级的纳米器件奠定了基础。 3月，美国佐治亚理工学院留美中国学者王中林教授的研究组利用高温固体气相法，在世界上首次合成了独特形态且无缺陷的半导体氧化物纳米带状结构。这是继纳米管、纳米线之后纳米家族增加的新的成员。,7.纳米科技重大事件,1959年，著名物理学家理查德费曼（Richard Phillips Feynman ）设想：有一天如果能按自己的愿望任意摆布原子的排列，人类就将成为真正意义上的“造物主”。这是关于纳米技术最早的梦想。,1982 年，国际商业机器公司（IBM)苏黎世实验室的葛宾
42、尼（Gerd Binnig）博士和海罗雷尔（Heinrich Rohrer）博士共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器 扫描隧道显微镜（ Scanning tunneling microscope，简称STM）。,1990年美国国际商业机器公司（IBM）的艾格勒在镍金属（110）表面用35个氙原子排出“IBM”字样。 1993年中国科学院北京真空物理实验室操纵原子写出“中国”二字。,1991年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的16，强度却是钢的100倍。 用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索 。,纳米科技科学与艺术的完美结合,材
43、料研究学会庆祝他们在研究进程中发现的最引人注目的图片赞美科学与艺术的完美结合。 他们对实验样本的细致分析不仅产生具有潜在重要性的数据，还给人带来颇富美学的灵感。 以下是堪比现代艺术品的11幅纳米图片，让人不禁感叹隐藏于科学世界背后的艺术之美。,金色向日葵,山川美景,二氧化硅纳米丝具有令人大为诧异的习惯能自行组成精美的图画。香港中文大学物理学教授郝少康在扫描电子显微镜下观看二氧化硅纳米丝时，一幅金色向日葵的画面呈现在他的眼前。与植物不同，它们的“肥料”是镓和金催化剂，能让它们长到长度只有几微米，同时直径保持在10纳米左右。郝少康教授给这幅获奖作品着色，令它们与真实的向日葵看上去更加相似。 在新加
44、坡南洋理工大学，博士后学者杨慧英在检查氧化锌纳米针时，无意中发现了一幅颇为神奇的图片：中国古典油画描绘的山川。为了使这幅图画同真实的山川更为相像，杨慧英给这个场景着色，同时又凭借其独特的想象，增加了一部分的绘画。,金色森林,金色森林 镍钛合金在遭受轮番“虐待”后，跳回“预置”形态，只有经过加热处理，它们才能恢复到原来模式。在德国普朗克冶金研究所，布里特戈尔克拉克用聚焦的离子光束以形成这根微柱，接着用纳米刻压机进行压缩。她的传输电子显微镜图片显示了张力对小金属棒的影响。 山川湖泊与篱笆墙 美国斯坦福大学鲍哲楠及其研究小组通力合作，使有机晶体管成为更为先进的电子装置。鲍哲楠所指导的研究生刘紫红(音
45、译)用正交极化光显微镜检查这组细微转换。在刘紫红眼中，图片的明亮之处看上去像是山川湖泊，而金电极则像是一堵篱笆墙。,大脑横切面,向悬崖边奔跑之人,大脑横切面 这张聚合体的照片看似肿瘤或大脑的横切面，出自美国伊利诺伊州阿尔贡国家实验室纳米级材料研究中心研究人员穆鲁贾纳汉拉玛纳汉之手。这位博士后学者拍摄了美丽物质聚合体的超薄图片，用活性氧铁蚀刻工艺以图案对其装饰，同时用热量和溶剂使其更加清澈透明。结果，它看上去更像是一幅现代艺术品，似乎与先进的科学研究不沾边。 向悬崖边奔跑之人 一天，桑迪亚国家实验室科学家杰弗布伦尼克将氧化钽晶体插入扫描电子显微镜中，开始搜集图片，他发现这台仪器并没有得到适当地清
46、洁。幸运的是，一些小的聚苯乙烯珠子从上一次实验中遗留下来，粘在实验样本的一侧，形成了一幅令人难以置信的图案，看上去仿佛是一个人向悬崖边奔跑。布伦尼克意识到这幅图案的美术潜力，于是给其着色，提交到材料研究学会，参加“2008年科学与艺术大赛”，最终获得第二名的佳绩。,精致悬臂,遥远星系,精致悬臂 这幅几乎完美无暇的金晶体的图片是西班牙马德里大学的维奥利塔纳瓦罗通过原子力显微镜捕捉的。这些显微镜产生了堪称世界上微小物体的最清晰的图片，极其微小的悬臂在它们的表面来回转动。激光干涉计在悬臂经过原子大小的拐点时，捕捉到它们的轻微活动。 遥远星系 研究生迈克尔塞格纳托维茨先是将一些钾铌氧化物堆积到硅表面，
47、接着用光学显微镜拍摄了这幅图片，看上去像一个遥远的星系一般,哈得逊湾森林,有污迹的窗户,有污迹的窗户 这幅图片看上去像是一块玻璃有污迹的窗户，但其实它是晶体顶部一层薄薄铁薄膜的磁畴(magnetic domain)。这里的晶体是由镁和镓砷酸盐制成的。意大利ELETTRA同步辐射光源实验室研究人员索利曼墨索奥尼采用X光线磁循环二色性技术，结合光电子发射显微镜方法，缔造了这个惊人画面。如果你看到这幅图画时并没有感到丝毫吃惊，那一个更为简单的解释是，墨索奥尼用强大X光线的两个相对偏振分束对其样本进行拍摄，接着从一个个文件上删减数据点。 哈得逊湾森林 这可能是覆盖在多孔硅模具上的聚合体的扫描电子显微镜
48、图片，对于美国得克萨斯大学的法迪赫布约克塞林而言，它看上去就像覆盖哈得逊湾的一片森林。,能使质子从其上面经过的耐用薄膜是燃料电池最重要的成分。在瑞士洛桑理工学院，博士生塞缪尔雷摩尔米特把氧化铈同六角形镍格结合，制成一种耐用的物质，进而使氢离子能自由移动。,六边形格子,结语 1993年，因发明STM而获得诺贝尔奖的科学家罗雷尔博士在写给江泽民主席的信中指出：“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
49、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、并首先学习使用它的国家。” 罗雷尔博士的话精辟地阐述了纳米科技对社会的发展的重要作用。 纳米科技的发展和应用必将促进人类文明的进步。,按维数，纳米材料 零维：纳米颗粒(nanoparticle)、原子团簇（atom cluster） 一维：纳米线(nanowire)、纳米棒(nanorod)、纳米管(nanotube)； 二维：超薄膜(thin film)、纳米片、超晶格(superlattice),零维纳米材料：三维空间尺度均在纳米尺度 一维纳米材料：在空间有两维处于纳米尺度 二维纳米材料：在三维空间中有一维处于纳米尺度,1.2 纳米材料的分类,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。