纳米功能材料 第一章 纳米功能材料绪论

“自下而上”
Bottom Up
“自上而下”
Top Down
Bottom up approach:
- Synthesis of building blocks (nanoparticles, macromolecules, layers)
- Assembly of building blocks to nanostructures
— 合成、性能及应用
高等教育出版社，2011 Guozhong Cao, Ying Wang 著；董星龙 译
纳米尺寸的概念
1 纳米 = 10 -9 米 （米/10亿）、10个氢原子排列长度、5个硅原子线状排列的长度
物质的尺寸
105 104 1000
尺寸 （纳米） 100
10 1
0.1
宏粒子 微粒子 大分子
摩尔定律
纳米技术热潮，是半导体工业的器件微型化、纳米 尺度上表征和操纵的实用化，所部分驱使！
1 cm
晶 体 管 1μm 尺 寸 50 nm
1-5 nm
第 第一 一代 代集 晶成 体电 管路
“摩尔定律”趋势线
1M 晶体管/每芯片
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Simultaneous synthesis & assembly
纳米技术的定义
纳米技术定义：由于纳米尺寸，导致的材料及其体系的结构与组成表现出奇特 而明显改变的物理、化学和生物性能、以及由此产生的新现象和新工艺。
制造纳米结构和纳米材料的技术的划分： 按照生长介质划分： 气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等； 液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等； 固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三 维光子晶体等； 混合生长，包括纳米线的气-液-固生长等 按照产物类型进行划分： 纳米粒子（零维）：通过胶质处理、火焰燃烧和相分离技术合成； 纳米棒或纳米线（一维）：通过模板辅助电沉积，溶液-液相-固相生长技术，和 自发各向异性生长的方式合成； 薄膜（二维）：通过分子束外延和原子层沉积技术合成； 纳米结构块体材料（三维）：例如自组织纳米颗粒形成光带隙晶体
材料的发展史 Evolution of Materials
10,000 BC 1000 BC
0
1800
1900’s
2000
Stone & Wood Iron
Cement
Steel
Polymers Nanomaterials & & Nanocomposites
Composites
纳米结构制备的两大途径 key approaches to fabrication
紫外光
可见光
Ultraviolet
Visible
红外
Infrared
0.1
1.0
10
100
1,000
10,000
纳米（ｎｍ）
纳米材料:
利用物质在小到原子或分子尺度以后，由于 尺寸效应、表面效应或量子效应所出现的奇 异现象而发展出来的新材料。
两个基本条件： 1、所有的粒子尺寸必须小于100 nm；
2、材料的优化性能必须是由于尺寸变化而来
Femme
Nanotechnology: BIG picture
Nanooptics
Nanomagnetism
fields contributing to nanotechnology development
纳米技术： 覆盖广阔研究领域，要求多
学科之间的共同努力
纳米技术的出现
纳米技术并不“新”，结合了已经存在的技术、最近发展的原子水平 的观察和操纵能力，使其在科学、技术、商业、政治等领域引人注目
“纳米研究”已经开始几个世纪了！ 中国，上千年前将Au纳米粒子作为无机染料加入到陶瓷产品中 1857年，法拉第制备的Au胶质分散体，稳定存在了近1个世纪
纳米技术的“新”，体现在纳米尺度的观察和操纵能力，原子级相 互作用的理解！
1980年，扫描隧道显微镜（STM）的发明和发展 扫描探针显微镜（SPM），如原子力显微镜等
每个芯片中的晶体管数
最早的晶体管
1947年12月23日，由贝尔实验 室的巴丁、布拉顿和肖克利发 明的最早的接触式晶体管。 [M. Riordan and L. Hoddeson, Crystal Fire, W.W. Norton and Company, New York, 1997.]
细菌
花粉 红细胞 颜料
沙子 酵母菌
粘土
人类发丝 宠物毛屑 烟尘
小分子 气态离子
病毒
致热原 糖
硅胶 量子点
胶束
物质
零维纳米结构或纳米材料中的尺寸
不同学科研究对象的尺寸
生物
核苷 Nucleotide DNA diam.
hemoglobin
Biomolecules
核糖体 ribosome
病毒 TM virus
晶体管尺寸 每 18个月减
小一倍
History of the integrated circuit
1958-1959: Integrated circuit invented by – Jack Kilby (Texas Instruments) – Robert Noyce (Fairchild Semiconductor)
1965: Gordon Moore (Intel) – Observes that the density of transistors (computing elements) has been doubling every two years – Predicts this will continue or speed up – Predicts 65,000 transistors per chip by 1975
《纳米功能材料》
课程内容
• 第一章 纳米功能材料概论 • 第二章 纳米材料制备方法 • 第三章 纳米电功能材料 • 第四章 纳米 磁功能材料 • 第五章 纳米能源材料 • 第六章 纳米功能陶瓷材料
第一章 纳米功能材料概论
• 纳米材料定义 • 功能材料定义 • “纳米”和“功能”的结合
《纳米结构和纳米材料》
Organellas
红血球 erythrocyte
Cells
合成
Nanoclusters 纳米团簇 Polymers Nanotubes
微制造
g 射线
电磁波
g-ray
SETs
量பைடு நூலகம்点
Quantum dots
晶体管
Transistors
X射线
X-ray
e-beam lithography Photo-lithography