纳米材料和纳米结构第一讲-new

研究热潮的到来 2000年 美国启动纳米技术促进计划
W. J. Clinton 美国总统 “我正在支持一项 对美国未来经济和 发展将产生深远影 响的纳米技术，它 是21世纪最重要、 应该优先发展的计 划……”。 N. Lane 美国政府 发布“国家纳米技 术倡议（ NNI ）” ；同时，成立隶属 于美国国家技术委 员 会 （ NCT ） 的 国家纳米科学、工 程与技术分委员会 （SNSET）
郑州大学 2009 - 2010学年上学期课程
纳米材料和纳米结构
2009级 物理工程学院
个人介绍 课件制作：李新建 课程讲授：张迎九 物理工程学院 材料物理教育部重点实验室
电 话：67766870 电子邮件：zhangyj2006@zzu.edu.cn 办公地址：南校区物理南楼315房间
课程主要参考书
1、Zhonglin Wang (Editor in Chief), Handbook of nanophase and Nanostructured Materials --- Synthesis，Beijing, Tsinghua University Press (March, 2003) 2、朱 静等编著，纳米材料和纳米器件，北京，清华大学出版 社（2003年4月） 3、J. H. 芬德勒（美）著，项金钟，吴兴惠译，纳米粒子与纳 米结构薄膜，北京，化学工业出版社（2003年8月） 4、张金中，王中林，刘俊，陈少伟，刘刚玉著，曹茂盛， 曹传宝译，自组装纳米结构，北京，化学工业出版社 （2005年1月） 5、G.-M. Chow, N. I. Noskova, Nanostructured Materials, Kluwer Academic Publishers (1998) 6、图书馆可以检索到的所有相关书籍、综述性文献
Nanoscience & Nanotechnology
第二部分
纳米材料的研究历史
纳米科技的提出：一个神奇的梦想
人物：Richard. P. Feynman (1964 年Nobel物理奖得主)
时间：1959年12月25日
地点：美国加州理工学院 There is a plenty of rooms at the bottom
纳米科学、纳米技术及其学科分类
纳米科学 研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化 的科学 纳米技术 在纳米尺度范畴内对物质（原子、分子、团簇、或材料等） 进行操纵和加工的技术 学科分类 纳米科学与纳米技术无法截然分开。目前，按照研究内容， 获得普遍认可的分支学科大致包括：纳米材料学、纳米电子 学、纳米光子学、纳米机械学、纳米摩擦学、纳米生物学、 纳米加工学、纳米检测与表征等；纳米材料与器件是上述所 有分支学科的共同交叉点
纳米科学与技术的基本特征与特点 学科交叉性
纳米科学与技术是基于纳米尺度的物理、化学、生
物学、材料学、制造、信息、环境、能源等多学科构 成的一个新兴学科交叉体系。
学科的层次
纳米科学与技术是涉及基本原理、关键技术和广泛 应用的科学技术体系，可大致分为基础、技术和应用 三个层次。
纳米科学与技术的基本特征与特点（2）
概念的提出、建立与发展

1962年，日本物理学家 Kubo 建立 Kubo 理论

1974年，日本物理学家 Taniguchi 提出纳米技术（Nanotechnology）的概念

1981年，德国物理学家 H. Gleiter 提出固体纳米结构（Nanostructure of Solid）的概念

1990年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）
规范纳米科技四大领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生
物学、纳米材料学
制备与测试技术发展

1981年，德国物理学家 H. Gleiter 金属纳米粉体、纳米结构固体（Nanostructured Solid）的物
理制备，真空蒸法冷凝法

1982年, IBM实验室G.Buining, H.Rohrer (Nobel物理奖得主） 扫描隧道显微镜（STM）的发明，原子尺度材料结构的观 察、人工操纵及加工
纳米材料的定义
纳米材料 是指材料的基本结构单元至少有一维的特
征尺寸介于 1~100 nm ，并由于纳米尺寸效应（ nanoscale size effect）、表面 / 界面效应（surface/interface effect）和 量子限域效应（quantum confinement effect）而表现出奇异 的、不同于相应的体材料所具备的物理或化学特性的材料
原子
固体
固体能级填充
纳米晶
纳米材料的基本物理特性（2）
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺 寸减小而增大。Kubo早在1962年就从理论上给出了能级间距 和金属颗粒直径的关系:
当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就 会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子
700
800
Wavelength (nm)
纳米材料的基本物理特性（3）
3. 表面与界面效应
金属的纳米粒子在空气中会燃 烧，无机材料的纳米粒子暴露 在大气中会吸附气体并与气体 进行反应。
粒径(nm) 原子总数Ｎ 2 nm 5nm 350 4000 40 180 10nm 30000 20 90
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
或材料体系
纳米材料的分类（几何形状与维度）
纳米颗粒与粉体（零维）
纳米线与纳米管（一维）
纳米带（二维）
纳米薄膜（二维）
多孔材料 纳米结构材料 有机分子材料
纳米材料的分类（几何形状与维度） 薄膜、量子线和量子点：截面示意图
薄膜ຫໍສະໝຸດ Baidu
量 子 线
量 子 点
纳米材料的分类（几何形状与维度） 铂催化剂纳米颗粒：形貌与电子衍射
关于物理学：一个错误但流行的观念
目前有一个广为流行但是非常错误的观念： 那就是认为物理学作为一个有科学意义和价值的 研究领域已经大为过时。 然而事实是，在物理学领域，亟待我们去忘 我探索的科学规律和我们已经探知的科学规律一 样多。
---- John Maddox，《Nature》杂志前主编
报 告 内 容
学科研究与发展的基本内涵 纳米科学与技术的研究和发展是一个复杂的系 统工程，它主要包括五个方面： （1）由基础研究支撑的创新思想和概念； （2）由工艺、技术研究支撑的技术革命和革新； （3）测试、表征以及纳米标准的建立和完善； （4）技术成果产业化的组织和实施； （5）技术成果市场的及时开拓和发展。 学科的基本技术基础和支撑 纳米科学与技术的基本基础和支撑是纳米材料 和纳米器件。
100 80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20 30 40 50
100nm 3×106 2 9
%
表面原子百分数 86 比表面积(m2/g) 450
尺寸小，表面大，活性高。
纳米材料的基本物理特性（4）
4. 宏观量子隧道效应 材料中作为基本粒子之一的电子既具有粒子性，又具有 波动性，这就是微观粒子的波粒二象性。而量子隧道效应则 是所有量子力学体系的基本特性之一。 纳米材料是一个典型的量子力学体系。因此，宏观量子 隧道效应将会成为未来微电子、光电子器件的基础；同时， 它也给出了微电子器件进一步微型化的物理极限。 在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长 时，电子就会发生隧道效应而使器件无法正常工作。理论预 测表明，经典电路的极限尺寸大概为 35 nm,而目前大规模集 成电路的线宽已经达到 70 nm。科学家们已经成功研制出的 单电子晶体管（量子共振隧穿晶体管）就是利用量子效应制 成的新一代器件，并有望成为新一代计算机的基础。
纳米材料的分类（几何形状与维度） 多孔材料：MCM-41分子筛
纳米材料的分类（几何形状与维度）
GaAs/InAs多层膜量子点
纳米材料的分类（几何形状与维度） 纳米结构材料的分类示意图
纳米材料的基本结构特征
纳米材料的基本物理特性
1. 量子尺寸效应 :
随着颗粒尺寸变小，晶体传统的周期性边界条件将被破 坏，在一定条件下会引起材料的物理性质发生质的改变 , 出 现新的效应。这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质 的变化称为量子尺寸效应。
限域效应。如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，而
半导体纳米体系的发光谱线会产生向短波长方向的移动。
纳米材料的基本物理特性（2）
举例：CdS/硅纳米孔柱阵列
纳米材料的基本物理特性（2）
PL Intensity (a. u.)
6.0x10
4
4.0x10
4
2.0x10
4
0.0 300
400
500
600
材料研究的重要性 纳米材料的研究历史 纳米材料的科学内涵 纳米材料的研究意义
纳米材料面临的挑战
第一部分
材料研究的重要性
材料是现代文明发展的基础和先驱

石器时代（the Stone Age）：石材

陶器时代（the Pottery Age）：陶器

青铜器时代（the Bronze Age）：青铜


国内研究已经具备一定的基础，建立了一定的
国际影响

宣布成立国家纳米科技中心
目标：建立中国自己的纳米科技创新体系
第三部分
纳米材料的科学内涵
人类认识自然的尺度范畴

宇观尺度：距地球最远星系约 150 亿光年
宏观尺度：肉眼可见范围，约 10-4 m 以上 介观尺度：包括微米、亚微米、纳米和团簇 原子原子核尺度：10-15 m --- 10-10 m 基本粒子尺度：10-19 m，包括夸克、轻子
课程的主要内容、授课方法及考核方式

主要内容 纳米材料的基本概念 纳米材料的主要制备技术 纳米材料的结构及其表征技术
纳米材料的物理性能
纳米材料的应用

授课方法：讲述 + 专题讲座
考核方式：开卷考试 + 考勤
当代纳米科技与纳米材料 ---内涵、意义与挑战
李 新 建
材料物理教育部重点实验室
2006年08月30日
工业革命时代（the Industrial Revolution）：钢铁

信息时代（the Information Age）：硅
主导21世纪科学与技术的四个关键领域

信息科学
Information Science

生命科学
Life Science

环境科学
Environment Science

纳米科技
科技的制高点。宣布
成立跨部门的六大科 学研究中心,协作发
展纳米技术。
研究热潮的到来（3）
印度 要像抓软件产业那样， 其 他 国 家 行 动 快速发展纳米技术。
韩国 2001年成为对纳米技术投入 增长最快的国家。
研究热潮的到来（4） 中国：决战纳米时代

2000年7月中央政治局全体委员听取中科院有关 纳米技术的报告，提出决战纳米时代的指示
举例: 如材料的光吸收会显著增加 , 所有的金属将失去光泽 而变为黑色；超导相向正常相转变 ; 磁性产生质变；熔点降 低等。
具体例子：如金纳米颗粒熔点为 600 K ，而金的体材料熔点 为 1337 K ；纳米银的熔点可降低到 l00℃。此特性为粉末冶 金工业提供了新上艺。
纳米材料的基本物理特性（2）

1985年，美籍中国物理学家 李远哲（Nobel化学奖得主） 分子束外延技术（MBE）生长薄膜材料，半导体超晶格技术
制备与测试技术发展（2）
制备与测试技术发展（3）
单晶硅表面原子排列
由C60分子在单晶铜表面 做成的纳米算盘
制备与测试技术发展（3）
制备与测试技术发展（4）
用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原 子，使它们排成圆形。
科学技术总统助理
“如果人们问我哪 个科学和工程领域最 有可能在未来产生突 破性成就，我认为会 是纳米科学和工程” 。
研究热潮的到来（2） 日本、德国立即出台相应研究计划
日本政府 要像抓微电子技术那
德国政府 纳米技术是 21 世纪高
样很抓纳米技术……
，把发展纳米技术作 为21世纪前20年日本 的立国之本。
2. 量子限域效应
原子、大块晶体、和纳米晶的能态
各种元素的原子具有 特定的光谱线，如钠 原子具有黄色的光谱 线。由无数的原子构 成固体时，单独原子 的能级就并合成能带， 由于电子数目很多， 能带中能级的间距很 小，因此可以看作是 连续的。能带理论能 成功解释金属、半导 体、绝缘体之间的联 系与区别。
纳米材料的分类（几何形状与维度） 碳纳米管
纳米材料的分类（几何形状与维度） 纳米管与纳米线
（a）CVD多壁碳纳米管，（b）GaN纳米线，（c）SiC纳米线
纳米材料的分类（几何形状与维度） ZnO 纳米带
宽 度 、 厚 度 均 为 nm
量级，长度 mm 量级
纳米材料的分类（几何形状与维度） 多孔氧化铝