第一章 纳米科学技术导论

按晶体状态分类 • 纳米晶体 • 纳米非晶体
按材料物性分类
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纳米半导体 纳米磁性材料 纳米非线性光学材料 纳米铁电体
（非线性介电行为，在一些电介质晶体中，晶胞的结构 使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的 电极化强度，使晶体具有的自发极化性质称为铁电性。）
• 纳米超导材料 • 纳米热电材料（1823年发现的塞贝克效应和1834年 发现的帕尔帖效应）
按应用分类
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纳米电子材料 纳米光电子材料 纳米生物医学材料 纳米敏感材料 纳米储能材料
从应用的角度看，纳米材料还可以分为两大类： • 一类是通过学科交叉产生的新产业与产品，用 于制造纳米结构量子器件，但是这类材料和器 件的发展将大大拓展和深化人们对客观世界的 认识，使人们能够在原子、分子水平上制造材 料及器件，将导致信息、能源、环境、医疗、 生物与农业等领域的技术变革。
J. Am. Chem. Soc.（125, 2003, 14996-14997）
(4) 3维纳米材料——纳米相材料。 • a nanocrystalline solid consisting of nanometre-sized crystalline grains each in a specific crystallographic orientation.
（5）纳米介孔材料(孔径为纳米级)。
• MCM-41; SAB-15; • Nanoporous silicon; • Activated carbons
Activated carbons MCM-41（Kresge）
按组成（component） 分类
•纳米金属 •纳米无机非金属 •纳米高分子材料 •复合纳米材料
连续能级
分立能级
纳米材料的特性 小尺寸效应
当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理特征尺寸 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 粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、 热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应（也 称体积效应）。
磁性（Fe-Co强磁性纳米颗粒的高矫顽力） 光学 (颜色变黑, 光反射率极低、光电光热转化效率极高) 电学 (高电导率、电磁波高吸收性) 物理学 (高强度、高韧性、高比热、低熔点) 化学 (反应活性、反应速率)


纳米材料的特性 介电限域效应
介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引 起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域 场强的增强。当介质的折射率对比微粒的折射率相差很大时， 就产生折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射 场强明显增加，这种局域场强的增强称为介电限域。
一般来说，过渡金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限 域效应，纳米颗粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线 性等会有重要影响。
量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件 的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微 电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
举例：纳米电子器件
பைடு நூலகம்
微米级的信息技术在21世纪会走到尽头，进一步发展会受到物理 学的局限。
电子器件小到100纳米时，量子效应就会起到很重要的作用，利 用量子效应而工作的纳米器件需要用全新的理论和方法来构建（ 例RTD）。 与微电子器件相比, 量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低 耗(能耗降为1/1000)、高效、高集成度、经济可靠、信息存储量 大(一张5英寸光盘上可以存储30个北京图书馆的全部藏书) 。
• 另一类具有现实的应用，并且在传统产业的改
造和高新技术的发展过程中起到了重要的作用 。如纳米复合材料如碳纳米管增强Cu。
纳米材料的特性
• 当物质小到1~100 nm (10-9~10-7 m)时, 由于其 巨大的表面及界面效应 , 晶界原子达到 1550%，物质的很多性能发生质变, 呈现出许多 既不同于宏观物体, 也不同于单个孤立原子的
一、导言
纳米科学是在纳米尺度（从原子、分子到亚微米尺 度之间）上研究物质的相互作用、组成、特性与制 造方法的科学。纳米尺度：1-100nm范围内的几何 尺度。
空间坐标： 皮米（pm）： 10-12 m；飞米（fm）： 10-15 m
纳米尺度开辟了人类认识和改造世界的全新领域。 人类对客观世界的传统认识分为两个层次： 一是宏观领域（尺度），二是微观领域（尺度）。 • 宏观领域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（牛顿定律、广 义相对论） • 微观领域以原子为最大起点，下限是无限小的领 域。基本粒子：电子、质子、中子等。 （普朗克能量子、薛定谔方程）
10nm以下纳米金属表面呈现准固体“沸腾状态”
纳米颗粒表面活性极高，高反应活性、高吸附活性、高催化 活性、高生化敏感性、高杀菌活性、易团聚。
宏观量子隧道效应
1957年，江崎玲于奈等发现发现半导体和超导体中电子的量子穿隧 效应，1973年获得诺贝尔物理奖。
经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量，粒子能量小于此 能量则不能越过。当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成 SIS（ Superconductor-Insulator- Superconductor）时，电子可以穿过绝 缘体从一个超导体到达另一个超导体，称为宏观量子隧道效应。
磁性氧化钛纳米颗粒
富勒烯
(2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 • Systems confined in two dimensions • Include nanowires, nanorods, nanofilaments and nanotubes.
(3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 • Systems confined in one dimension. • include discs or platelets, ultrathin films on a surface and multilayered materials.
建纳米级的功能器件或产品。
五、纳米材料
纳米材料是纳米科技的基础和核心
纳米材料的定义 几何尺寸、组成相或晶粒结构的尺寸控制在 1-100 纳 米范围的具有特殊功能的材料。 两层含义： 1 ，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； 2，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，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。
具体例子：如金的体材料熔点为1337K，金纳米颗粒熔点为600K；纳米银的熔 点可降低到100oC。这种特性为粉末冶金工业提供了新工艺。
纳米材料的特性 表面与界面效应
纳米颗粒由于尺寸小、表面积大、表面能高、表面原子 占比大，活性极高，极不稳定，遇到其他原子时很快结合 ， 使其稳定化，称为表面效应。
纳米材料的分类 按结构(维度the number of dimensions）分为4类： (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米 级(100 nm)以下的颗粒状物质。
• Fullerenes， Colloidal particles • Semiconductor quantum dots
奇异现象。
• 主要包括：量子化效应、量子隧道效应、小
尺寸效应、表面效应、非定域量子相干效 应 ，量子涨落与混沌，多体关联效应和非线 性 效应等等)
纳米材料的特性
量子尺寸效应

随着粒子中原子数的减少，金属 Fermi能级附近 的电子能级由连续状态分裂为分立状态，能级的 平均间距与粒子中的电子数成反比，在能级间距 大于热能、磁能、静电能、光子能量以及超导态 的凝聚能时，就会产生与宏观物体不同的所谓量 子效应(Quantum Effect)，被科学界称做Kubo效 应。
人类对客观世界认识的第三个层次： • 介观领域包括从微米、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。 纳米 介观领域： 奇异的光、热、电、磁、 力以及化学特性 近年来开发的直接研究手段开启了“纳米之门”。
二、纳米科学技术的由来与意义
纳米科学是由材料、化学、物理学、生物学、医学、电 子学及机械学等多学科交叉而形成的新学科。是指在纳 米尺度（1-100nm）上研究物质组成体系的运动规律和 相互作用，以及利用这些特性的科学。 纳米技术是指在纳米尺寸范围内认识和改造自然，研究 1-100nm之间的物质组成体系的运动规律和功能特性， 及其在实际生产和生活中的应用技术。 纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米 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。即按照需要操纵原子、分子构