功能材料概论6(纳米材料)_PPT课件
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这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料 不同，从而出现许多新奇特性。例如：铜是电的良导体，而纳 米铜则是电的绝缘体；硅是半导体，而纳米硅则是良导体；陶 瓷易碎，而纳米陶瓷既刚又韧，可以用来制作发动机零件；而 纳米纤维既不沾水又不沾油。
3. 纳米材料
近现代，约1861年，科学家发现了一种新的现象——胶体 （直径1~100nm粒子构成的系统），并对此展开了研究， 并建立了化学学科的一个新分支：胶体化学。但是当时的 化学家们并没有意识到在这样一个尺度范围是人们认识世 界的一个新的层次，而只是从化学角度作为宏观体系的中 间环节进行研究，历史就此错过。
1962年，久保（Kubo）及其合作者针对金属超微粒子的研究， 提出了著名的久保理论（超微颗粒的量子限域理论），从而推 动实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索；
1970年，美国IBM实验室的江崎和朱兆祥首先提出了半导体 超晶格概念；
20世纪70年代末到80年代初，科学家们对一些纳米颗粒的结 构、形态和特性进行了比较系统的研究。1984年，德国萨尔大 学的Gleiter首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳 米粒子，并提出了纳米材料界面结构模型；1985年，Kroto等 人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 发现了C60 和C70新谱线。 1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术会议， 正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。 从此，纳米材料科学作为一个比较独立的学科诞生。纳米科 技进入快速发展期。
用STM描绘样品表面三维的原子结构:
硅表面硅原子 STM图象
高序石墨原子 STM图象
1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登 研究中心（Almaden Research Center）的科学家展示了一 项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动 到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这三 个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。
的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上源自文库成“中国”的图 形。）
中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上通过 搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图。
4.1.3 纳米材料与纳米科技的概念
1. 纳米（nm）
长度计量单位，一米的十亿分之一(10-9米) 。人的一根头 发丝的直径的万分之一（人头发直径约为80~100微米 ）。 形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球 放在地球上一般。纳米小得可爱，却威力无比，它可以对 材料性质产生影响，并发生变化，使材料呈现出极强的活 跃性。科学家们说，纳米这个“小东西”将给人类生活带 来的震憾，会比被视为迄今为止影响现代生活方式最为重 要的计算机技术更深刻、更广泛、更持久。
STM头部
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向 可优于0.01纳米，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到 了微观世界。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度 上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原 子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。
4.1.1 纳米科技的发展史
最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是 美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者理 查德·费曼(Richard P Feynman)——纳米 科技之父 。
1959年费曼在一次题为《在底部还有很大空间》（“There is Plenty of Room at the Bottom. ”）著名的演讲中提出 “如果有一 天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹 呢？”并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机 器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始 组装，制造出最小的人工机器来。可以说这些是关于纳米技术的 最早的梦想。
1991年IBM公司的“拼字”科 研小组利用STM把一氧化碳分 子竖立在铂表面上、分子间距 约0.5纳米的“分子人”，这 个“分子人”从头到脚只有5 纳米，堪称世界上最小的人形 图案 。
1993年中国科学院北京真空物理实验室用STM操纵硅原子写 出“中国”两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占 有一席之地。（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间
4.1 纳米科技概述
纳米材料和纳米技术是20世纪80年代末期诞生并崛起的新 科技，引起了全世界科学家的关注。
人们无意识的制备纳米材料的历史可以追溯到1000年前， 中国古代利用燃烧蜡烛来收集炭黑作为墨的原料以及用作 着色的染料，这是最早的纳米材料；中国古代铜镜表面的 防锈层经检验，证实为纳米氧化锡颗粒构成的薄膜，但当 时人们并不知道这是由纳米尺度的颗粒构成。
千米 米 厘米 毫米 微米 纳米
103
1
10-2
10-3
10-6
10-9
纳米结构: 通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。
2. 如何区分纳米和伪纳米？
目前市场上炒作的“纳米”主要指纳米材料。
衡量纳米材料的两把尺子：
① 颗粒粒径是否介于1个纳米到100个纳米之间的，均匀 度怎么样； ② 是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、 小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。
基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细 的探针（针尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表 面靠得很近（小于1纳米）时，针尖头部的原子和样品表面原子的 电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便 会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（10-9 A）的隧道电流； 隧道电流对距离非常敏感，保持针尖与样品表面间距的恒定，控制 压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（x,y,z)移动扫描时，由于 样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的 变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信 号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌 图像。
3. 纳米材料
近现代，约1861年，科学家发现了一种新的现象——胶体 （直径1~100nm粒子构成的系统），并对此展开了研究， 并建立了化学学科的一个新分支：胶体化学。但是当时的 化学家们并没有意识到在这样一个尺度范围是人们认识世 界的一个新的层次，而只是从化学角度作为宏观体系的中 间环节进行研究，历史就此错过。
1962年，久保（Kubo）及其合作者针对金属超微粒子的研究， 提出了著名的久保理论（超微颗粒的量子限域理论），从而推 动实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索；
1970年，美国IBM实验室的江崎和朱兆祥首先提出了半导体 超晶格概念；
20世纪70年代末到80年代初，科学家们对一些纳米颗粒的结 构、形态和特性进行了比较系统的研究。1984年，德国萨尔大 学的Gleiter首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳 米粒子，并提出了纳米材料界面结构模型；1985年，Kroto等 人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 发现了C60 和C70新谱线。 1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术会议， 正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。 从此，纳米材料科学作为一个比较独立的学科诞生。纳米科 技进入快速发展期。
用STM描绘样品表面三维的原子结构:
硅表面硅原子 STM图象
高序石墨原子 STM图象
1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登 研究中心（Almaden Research Center）的科学家展示了一 项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动 到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这三 个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。
的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上源自文库成“中国”的图 形。）
中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上通过 搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图。
4.1.3 纳米材料与纳米科技的概念
1. 纳米（nm）
长度计量单位，一米的十亿分之一(10-9米) 。人的一根头 发丝的直径的万分之一（人头发直径约为80~100微米 ）。 形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球 放在地球上一般。纳米小得可爱，却威力无比，它可以对 材料性质产生影响，并发生变化，使材料呈现出极强的活 跃性。科学家们说，纳米这个“小东西”将给人类生活带 来的震憾，会比被视为迄今为止影响现代生活方式最为重 要的计算机技术更深刻、更广泛、更持久。
STM头部
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向 可优于0.01纳米，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到 了微观世界。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度 上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原 子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。
4.1.1 纳米科技的发展史
最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是 美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者理 查德·费曼(Richard P Feynman)——纳米 科技之父 。
1959年费曼在一次题为《在底部还有很大空间》（“There is Plenty of Room at the Bottom. ”）著名的演讲中提出 “如果有一 天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹 呢？”并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机 器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始 组装，制造出最小的人工机器来。可以说这些是关于纳米技术的 最早的梦想。
1991年IBM公司的“拼字”科 研小组利用STM把一氧化碳分 子竖立在铂表面上、分子间距 约0.5纳米的“分子人”，这 个“分子人”从头到脚只有5 纳米，堪称世界上最小的人形 图案 。
1993年中国科学院北京真空物理实验室用STM操纵硅原子写 出“中国”两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占 有一席之地。（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间
4.1 纳米科技概述
纳米材料和纳米技术是20世纪80年代末期诞生并崛起的新 科技，引起了全世界科学家的关注。
人们无意识的制备纳米材料的历史可以追溯到1000年前， 中国古代利用燃烧蜡烛来收集炭黑作为墨的原料以及用作 着色的染料，这是最早的纳米材料；中国古代铜镜表面的 防锈层经检验，证实为纳米氧化锡颗粒构成的薄膜，但当 时人们并不知道这是由纳米尺度的颗粒构成。
千米 米 厘米 毫米 微米 纳米
103
1
10-2
10-3
10-6
10-9
纳米结构: 通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。
2. 如何区分纳米和伪纳米？
目前市场上炒作的“纳米”主要指纳米材料。
衡量纳米材料的两把尺子：
① 颗粒粒径是否介于1个纳米到100个纳米之间的，均匀 度怎么样； ② 是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、 小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。
基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细 的探针（针尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表 面靠得很近（小于1纳米）时，针尖头部的原子和样品表面原子的 电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便 会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（10-9 A）的隧道电流； 隧道电流对距离非常敏感，保持针尖与样品表面间距的恒定，控制 压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（x,y,z)移动扫描时，由于 样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的 变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信 号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌 图像。