功能材料概论6(纳米材料)_PPT课件

千米 米 厘米 毫米 微米 纳米
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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பைடு நூலகம்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。
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。
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。
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。
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。
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。
的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“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。
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。
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
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