纳米技术简介

纳米科技导论

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题目:纳米技术简介

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摘要：纳米材料作为材料科学中的重要一元，近年来受到科学界的广泛重视。本文将从纳米材料的概况，制备工艺，及其部分应用等方面作出综合评价

关键词：纳米材料制备方法

1、纳米材料概述

纳米是一种长度单位,一纳米相当于十亿分之一米,大约相当于几十个原子的长度.人类对纳米的研究是在高技术领域或继信息技术和生命科学之后的又一个里程碑.正如中国的纳米首席科学家张立德所说: “大多数人竟然一无所知,纳米即将是一次产业革命”.由于物质组成的精细度达到纳米级时,就能表现出一些奇特的物理、化学的性能,从而为新材料的产生创造条件.纳米技术能在原子和分子水平上操纵物质,创造和制备优异性能的材料.因此,纳米技术是一项引领时代潮流的前沿技术,是科技之峰颠. 1982 年,科学家发明了纳米的重要工具——扫描隧道显微镜为我们揭示了一个可见的原子、分子世界,对纳米科技的发展产生了积极的促进作用.

1.1纳米材料分类

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可分为三类：

1．零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。

2．一维，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米四、纳米管、纳米棒等。

3．二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。

因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分别有量子点，量子线，量子阱之称。

1.2纳米材料特性

纳米材料是新型材料，由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，它具有常规粗晶材料不具备的特殊性能。

1.2.1 小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。例如:光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移;磁有序态向磁无序态的转变;超导相向正常相的转变;声子谱发生改变。

1.2.2 表面效应

纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面原子占相当大的比例。随着粒径减小,表面原子数迅速增加。这是由于粒径小,表面积急剧变大所致。由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其它原子结合。例如:金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机的纳米粒空子暴露在空气中会吸附,并与气体进行反应。

1.2.3量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低轨道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应直接解释了纳米粒子特别的热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量以及超导态的凝聚能等一系列的与宏观特性有着显著不同的特性。

1.2.4宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现了一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。

宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行

信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微化的极限。当微电子器件进一步细微化时,必须要考虑上述的量子效应。

1.2.5纳米材料奇特的物理性能

（1）奇特的光学特性

一是宽频带强吸收:纳米粒子对光的反射率很低,吸收率很强导致粒子变黑。

二是蓝移现象:纳米微粒的吸收带普遍向短波方向移动。

三是纳米微粒出现了常规材料不出现的新的发光现象。

（2）扩散及烧结性能

由于在纳米结构材料中有大的界面,这些界面为原子提供了短程扩散途径。因此,与单晶材料相比,纳米结构具有较高的扩散率。较高的扩散率对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响,问时可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂,可以在较低温度使不混溶金属形成新的合金相。增强的扩散能力产生的另一个结果是可以使纳米材料的烧结温度大大降低。

纳米微粒物性的一个最大特点是与颗粒尺寸有很强的依赖关系。由于纳米微粒的小尺寸使其具有了一系列的奇特的物理性质,从而给纳米材料的应用打开了一个广阔的天地。

1.3 纳米材料的制备技术发展的三个阶段

第一阶段：单一材料和单相材料，即纳米晶或纳米相。

第二阶段：纳米复合材料。通常采用纳米微粒与纳米微粒的复合（0-0 复合）、纳米微粒同常规块体之间的复合（0-3 复合）及复合纳米薄膜（0-2复合）。

第三阶段：纳米组装体系、纳米尺度的图案材料。他的基本内涵是纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维及三维空间之中组装排列成具有纳米结构的体系（如图1所示）。其中包括纳米阵列体系、介空组装体系、薄膜镶嵌体系。纳米颗粒、丝、管可以有序的排列而不同于第一、第二阶段中带有一定程度的随机性质。

图1 纳米结构

2、纳米材料应用与发展

2.1 纳米磁性材料

磁性是物质的基本属性之一，任何物质都有磁性，只是强弱不同而已。从结构特征上看，目前纳米磁性材料大体可以分为以下3种：

2.1.1纳米颗粒型的磁性材料

磁记录介质。磁性材料至今仍是信息工业的主体,为了提高磁记录的密度,磁记录介质中的磁性颗粒尺寸已由微米、亚微米向纳米尺度过波,例如:合金磁粉的尺寸约为80nm,钡铁氧

体磁粉的尺寸约为40nm。量子磁盘是磁纳米发展的新方向——量子磁盘就是利用磁纳米材料的储存特性提高其储存密度，这种量子磁盘的记录密度理论上可达到6000Gb/in2,相当于每方寸可储存100万本30万字的书。磁性液体,磁性药物,吸波材料等也是最新发展方向。2.1.2纳米微晶型磁性材料

纳米微晶永磁材料已发展到了第五代,实现了体积重量小、高效、低耗能等优点。纳米微晶软磁材料已具有了高磁导率、低损耗、高饱和磁化强度等性能,使之应用于开关电源、变压器、传感器等。

2.2纳米结构材料

人工纳米膜、多层膜、隧道已成为磁性纳米材料发展的新的思路。

2.3纳米超导材料

超导材料是21世纪的一种新材料,它工作速度快、耗能少、被认为是最有希望的下一代智能机的基础元件。纳米超导材料的发展不断应用的温度,为超导材料的实用提供了可能。

2.4纳米陶瓷

纳米陶瓷是指显微结构具有纳米数量级水平的陶瓷材料。纳米陶瓷晶粒细化,有助于晶间的滑移,从而导致了超塑性;材料中的气孔和其他缺陷尺寸减小,可获得少缺陷甚至无缺陷的陶瓷,其力学性能高出一筹。它已经在核能的开发利用中功勋卓著，另外,在21世纪它还将广泛运用于生产隐形飞机、隐形军舰和机械如工的耐磨板等方面。

2.5纳米塑料

纳米塑料也称为工程塑料,是一种质量轻、高强度、不老化的新型塑料。它的硬度比炭钢强4－6倍，比重仅为钢铁的四分之一，不发生变性情况。从而它在各种高性能管材、汽车、电器等领域在广阔的前景。我国自行研制的纳米塑料耐磨性是黄铜的27倍，钢铁的7倍，在2008年北京奥运会上已经得到广泛的应用。

可见一系列的纳米材料正广泛运用于工业、农业、生活、医疗、科研、军事等各种领域。作为一门新兴的学科分支，它和其他学科领域都有广泛的交叉，正所谓“它山之石，可以攻玉”，以其他学科的资源，为其发展提供了无限的潜力，纳米材料将自然成为我们未来生活中不可或缺的一部分，它的未来也自然一片光明。

3 纳米材料在不同领域的应用

3.1微电子工业

纳米机器可使电子产品缩微化，解决目前微细加工领域不能深入到纳米层次的极限问题，纳米技术可使计算机袖珍化，使今天的笔记本更易携带。纳米粒子的一个重要应用领域是传感器如气敏传感器、湿敏传感器等。此外，纳米结构的涂层可用于数据储存和光电绘图，纳米粒子可用作彩色打印中的着色剂，超晶格的量子限域效应可用于光电装置的激光器件。用于计算机硬盘磁头的纳米粒子巨磁组（GMR）,1992年被发现，1997年被工业化。现在每年已有300~400亿美元的产值，今天的IBM和HP生产的硬盘都基于此发现。

3.2材料工业

纳米技术与新材料密切相关，纳米技术可使材料的构筑单元在纳米尺度范围内有序，因而可发展高强度轻型结构材料和多功能智能材料。例如，道尔化学公司发展了一种纳米粒子增强的聚合物基纳米复合材料，可望取代汽车工业中的金属材料。

3.3环境工业

纳米技术可用监控和治理环境问题，减少副产物和污染物的排放，发展清洁的绿色加工技术。美孚石油公司发展的有序介孔材料MCM-1（孔径为10~100nm）被广泛应用出去超细污染物。纳米尺度的无机粘土取代碳黑用于聚合物的增强，可制备耐磨的环境友好的轮胎。纳米机器人可用于环境治理，特别是用于核废料的处理。