纳米材料性能及应用
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特征： 体系一般处于非理想、非平衡状态 溶剂处于接近临界、临界或超临界状态
优点：
������ 反应物活性改变和提高，有可能代替固相反应， 并可制备出固相反应难以制备出的材料；
������ 中间态、介稳态以及特殊相易于生成，能合成介 稳态或者其他特殊凝聚态的化合物、新化合物。
������ 能够合成熔点低、蒸气压高、高温分解的物质；
SFM工作原理图
AFM测试图
Molecular Manipulation
Researchers from IBM Zurich pushed individual molecules across a surface to form a molecular abacus. (AFM)
DPN （Dip Pen Nanolithography）技术 “浸沾笔纳米图形制作技术”
纳米材料的性能及应用
文秀芳 2011.4.14
主要内容
1
引言及纳米材料概述
2
纳米材料的制备
3
纳米材料的表征
4
纳米材料的应用
一、引言及纳米材料概述 1.纳米科技研究的重要性 2.什么是纳米材料 3.自然界的纳米材料
What is Nanotechnology?
• What does “nanotechnology” mean? • What has nanotechnology done? • What can we expect it to do? • Is it an evolution or a revolution? • How will it change industries? • How will it change our lives?
New Tools of the Trade
metal or semiconductor surface
Scanning Tunneling Microscope Silicon Atoms 1986 Nobel Prize in Physics: Binnig and Rohrer (1983)
Lithography
Putting It All Together (with the naked eye)
Macroscopic Self-Assembly!!
Putting It All Together (from the bottom up!)
Chemical
Molecular Self-Assembly!!
B. Promise of nanotechnology (example of societal implications)
Knowledge base: better comprehension of nature, life������ A new world of products: -$1trillion/ wk.baidu.com in 10-15years -Materials beyond what chemistry can do:$340B/y in 10 years for materials and processing, (estimation by industry group) -Electronnics in 10-15 years: $300B/Y for semiconductor industry, times more for global integrated circuts (estimation by SIA) -Pharmaceutics in 10-15 years about half of production will depend on nanotechnology, affecting about $180B/Y –Chemical plants in 10-15years:nanostructured catalysts in petroleum and chemical processing about $100B/Y –Aerospace: about $70B/Y in 10 years –Tools(measurement, simulation)--$22B/Y in 10y������ Improved healthcare: extend life-span, Its quality, human physical capabilities(-$31B in tools for healthcare in 10 years )������
1 ~ 100 nanometers (3-4 atoms side by side = 1 nm)
“纳米是什么？”
纳米其实是一种长度单位，1纳米是1米的十 亿分之一,相当于十个氢原子一个挨一个排起来的 长度。20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。
What is Nanotechnology?
Nanotechnology is about: • Making small objects • Manipulating small objects • Creating new materials by varying the size of the objects • Building structures from small objects
J. W. G. Wildoeret al., NATURE VOL 391 1 JANUARY 1998
扫描力显微镜Scanning Force Microscopy
通过检测不同的相互作用力（斥力、摩擦力、弹力、 范德华力、静电力、氢键力和粘附力等），SFM还可以 表征样品表面的某些物理、化学性质。
Scanning Electron Microscope (SEM)
Cat Flea
CdSe/ZnS Nanocrystal
Transmission Electron Microscope (TEM)
Fibroblast Cell on Pillars Sickled hemoglobin in red blood cell
• 由于Z和I成指数关系，Z 的很小改变就能引起I 的巨大变化，可 以通过反馈电路控制Z以保持I不变，这样就能取出样品表面起 伏的信号。当针尖的曲率半径R和Z都小到原子尺度时，就可以 得到样品表面原子排列和原子形态的清晰图象。
C60分子笼结构的STM照片 J. Hou et al. Nature Vol409 18 January 2001
STM操纵原子和分子
Xeon Ni
CO
铜片上的铁分子
物质中，让科学家能看到高电 子密度区域，从而推断单个原 子和分子所在的位置
2.自然界的纳米材料
������ 植物的叶面，如荷叶 飞檐走壁的壁虎 ������ 神奇水黾、蜥蜴会水上漂 ������ 蜜蜂的“罗盘”—腹部的磁性纳米粒子 ������ 五彩斑斓的蝴蝶 ������ 会吐丝的蜘蛛
美国西北大学的Mirkin 研究小组开发
用AFM 的针尖作“笔”，固态基底作“纸”，能 与基底有化学作用力的分子作“墨水”，分子通过凝结 在针尖与基底间水滴的毛细作用直接“书写”到基底表 面。
"Dip-Pen" Nanolithography
������ 低温、等压、溶液条件，有利于生长缺陷少、取 向好、完美的晶体，并且产物晶体的粒度可控；
������ 由于环境气氛可调，因而可合成低价态、中间价 态与特殊价态化合物的生成，并能进行均匀搀杂。
Dilute polymer solution
Chiou, NR; Lui, CM; Guan, JJ, et al. NATURE NANOTECHNOLOGY 2007，2（6）: 354-357
Biological
A. Chemical Vapor Deposition
Chemical reaction:
ZnO and SnO Nanobelts SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001
二 氧 化 硅 纳 米 线 棒
B. 水热和溶剂热法（hydrothermal Solvothermal Synthesis） 较高温度和较高压力下溶液中的化学合成。 水热法最初是为了模拟地矿生成条件。 水热法被广泛用于分子筛合成，晶体生长等。 近些年被用于纳米材料的制备。 1996年，钱逸泰等提出溶剂热。
STM扫描隧道显微镜
STM 是利用曲率半径为原子 尺度的针尖在样品表面扫描，利用 针尖与样品原子之间的量子隧道效 应来获取样品表面图象的。当样品 和针尖接近，其电子云互相重叠，
在两者之间加一个电压V，电子就 可以在二者之间转移，形成隧道电 流I。
I∝V·exp(-2kZ) （Z为针尖和样品之间的距离，k为衰减系数。）
Array of 5 nm Au nanocrystals
A new nanocomposite material!
Nanoscopic Self-Assembly!!
三、纳米材料的表征
1、扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy） • SPM (Scanning Probe Microscopy)主要成员 STM扫描隧道显微镜 • SFM扫描力显微镜 ＊AFM原子力显微镜 ＊MFM磁力显微镜 ＊LFM摩擦力显微镜 ＊EFM静电力显微镜等 • NSOM扫描近场光学显微镜等
Nanoscience and nanotechnology concerns objects that are extremely small.
How small? Bigger than atoms, but smaller than you can see with a light microscope.
洁身自好的荷叶
飞檐走壁的壁虎
水面上自由行走的水黾、蜥蜴
利用“罗盘”定位 五彩斑斓的蝴蝶
的蜜蜂
会吐丝的蜘蛛
二、纳米材料的制备
How do you build nanometer-sized objects? Top Down (Lithography)
Bottom Up (Self-Assembly)
Why moving into nanoworld A. Intellectual drive
•Miniaturization is of interest Less space, faster, less materials, less energy •More important: Novel properties/phenomena/process -New structure and functions; Engineering beyond nature Unity and generality -At the building blocks of all natural/artificial things, systems Most efficient length scale for manufacturing -Less energy than for subatomic or macroscopic Transcendent effects: at the confluence of steams -Living/non-living; interdisciplinary; Relevance areas
Sustainability: agriculture, water,energy( -45B/y in 10 years)materials,environment,exiting lighting energy reduction –10% or $100B/Y
Powerful Microscopes
C. 溶胶凝胶法sol-gel 采用无机盐或金属有机化合物，如醇盐
为前驱物，前驱物在水中水解（或者在其 他溶剂中溶剂解），反应生成物聚集形成 溶胶。然后经蒸发干燥从溶胶转变为凝胶。
典型的软化学合成。
如: 正硅酸乙酯
Putting It All Together (beyond molecules)
优点：
������ 反应物活性改变和提高，有可能代替固相反应， 并可制备出固相反应难以制备出的材料；
������ 中间态、介稳态以及特殊相易于生成，能合成介 稳态或者其他特殊凝聚态的化合物、新化合物。
������ 能够合成熔点低、蒸气压高、高温分解的物质；
SFM工作原理图
AFM测试图
Molecular Manipulation
Researchers from IBM Zurich pushed individual molecules across a surface to form a molecular abacus. (AFM)
DPN （Dip Pen Nanolithography）技术 “浸沾笔纳米图形制作技术”
纳米材料的性能及应用
文秀芳 2011.4.14
主要内容
1
引言及纳米材料概述
2
纳米材料的制备
3
纳米材料的表征
4
纳米材料的应用
一、引言及纳米材料概述 1.纳米科技研究的重要性 2.什么是纳米材料 3.自然界的纳米材料
What is Nanotechnology?
• What does “nanotechnology” mean? • What has nanotechnology done? • What can we expect it to do? • Is it an evolution or a revolution? • How will it change industries? • How will it change our lives?
New Tools of the Trade
metal or semiconductor surface
Scanning Tunneling Microscope Silicon Atoms 1986 Nobel Prize in Physics: Binnig and Rohrer (1983)
Lithography
Putting It All Together (with the naked eye)
Macroscopic Self-Assembly!!
Putting It All Together (from the bottom up!)
Chemical
Molecular Self-Assembly!!
B. Promise of nanotechnology (example of societal implications)
Knowledge base: better comprehension of nature, life������ A new world of products: -$1trillion/ wk.baidu.com in 10-15years -Materials beyond what chemistry can do:$340B/y in 10 years for materials and processing, (estimation by industry group) -Electronnics in 10-15 years: $300B/Y for semiconductor industry, times more for global integrated circuts (estimation by SIA) -Pharmaceutics in 10-15 years about half of production will depend on nanotechnology, affecting about $180B/Y –Chemical plants in 10-15years:nanostructured catalysts in petroleum and chemical processing about $100B/Y –Aerospace: about $70B/Y in 10 years –Tools(measurement, simulation)--$22B/Y in 10y������ Improved healthcare: extend life-span, Its quality, human physical capabilities(-$31B in tools for healthcare in 10 years )������
1 ~ 100 nanometers (3-4 atoms side by side = 1 nm)
“纳米是什么？”
纳米其实是一种长度单位，1纳米是1米的十 亿分之一,相当于十个氢原子一个挨一个排起来的 长度。20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。
What is Nanotechnology?
Nanotechnology is about: • Making small objects • Manipulating small objects • Creating new materials by varying the size of the objects • Building structures from small objects
J. W. G. Wildoeret al., NATURE VOL 391 1 JANUARY 1998
扫描力显微镜Scanning Force Microscopy
通过检测不同的相互作用力（斥力、摩擦力、弹力、 范德华力、静电力、氢键力和粘附力等），SFM还可以 表征样品表面的某些物理、化学性质。
Scanning Electron Microscope (SEM)
Cat Flea
CdSe/ZnS Nanocrystal
Transmission Electron Microscope (TEM)
Fibroblast Cell on Pillars Sickled hemoglobin in red blood cell
• 由于Z和I成指数关系，Z 的很小改变就能引起I 的巨大变化，可 以通过反馈电路控制Z以保持I不变，这样就能取出样品表面起 伏的信号。当针尖的曲率半径R和Z都小到原子尺度时，就可以 得到样品表面原子排列和原子形态的清晰图象。
C60分子笼结构的STM照片 J. Hou et al. Nature Vol409 18 January 2001
STM操纵原子和分子
Xeon Ni
CO
铜片上的铁分子
物质中，让科学家能看到高电 子密度区域，从而推断单个原 子和分子所在的位置
2.自然界的纳米材料
������ 植物的叶面，如荷叶 飞檐走壁的壁虎 ������ 神奇水黾、蜥蜴会水上漂 ������ 蜜蜂的“罗盘”—腹部的磁性纳米粒子 ������ 五彩斑斓的蝴蝶 ������ 会吐丝的蜘蛛
美国西北大学的Mirkin 研究小组开发
用AFM 的针尖作“笔”，固态基底作“纸”，能 与基底有化学作用力的分子作“墨水”，分子通过凝结 在针尖与基底间水滴的毛细作用直接“书写”到基底表 面。
"Dip-Pen" Nanolithography
������ 低温、等压、溶液条件，有利于生长缺陷少、取 向好、完美的晶体，并且产物晶体的粒度可控；
������ 由于环境气氛可调，因而可合成低价态、中间价 态与特殊价态化合物的生成，并能进行均匀搀杂。
Dilute polymer solution
Chiou, NR; Lui, CM; Guan, JJ, et al. NATURE NANOTECHNOLOGY 2007，2（6）: 354-357
Biological
A. Chemical Vapor Deposition
Chemical reaction:
ZnO and SnO Nanobelts SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001
二 氧 化 硅 纳 米 线 棒
B. 水热和溶剂热法（hydrothermal Solvothermal Synthesis） 较高温度和较高压力下溶液中的化学合成。 水热法最初是为了模拟地矿生成条件。 水热法被广泛用于分子筛合成，晶体生长等。 近些年被用于纳米材料的制备。 1996年，钱逸泰等提出溶剂热。
STM扫描隧道显微镜
STM 是利用曲率半径为原子 尺度的针尖在样品表面扫描，利用 针尖与样品原子之间的量子隧道效 应来获取样品表面图象的。当样品 和针尖接近，其电子云互相重叠，
在两者之间加一个电压V，电子就 可以在二者之间转移，形成隧道电 流I。
I∝V·exp(-2kZ) （Z为针尖和样品之间的距离，k为衰减系数。）
Array of 5 nm Au nanocrystals
A new nanocomposite material!
Nanoscopic Self-Assembly!!
三、纳米材料的表征
1、扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy） • SPM (Scanning Probe Microscopy)主要成员 STM扫描隧道显微镜 • SFM扫描力显微镜 ＊AFM原子力显微镜 ＊MFM磁力显微镜 ＊LFM摩擦力显微镜 ＊EFM静电力显微镜等 • NSOM扫描近场光学显微镜等
Nanoscience and nanotechnology concerns objects that are extremely small.
How small? Bigger than atoms, but smaller than you can see with a light microscope.
洁身自好的荷叶
飞檐走壁的壁虎
水面上自由行走的水黾、蜥蜴
利用“罗盘”定位 五彩斑斓的蝴蝶
的蜜蜂
会吐丝的蜘蛛
二、纳米材料的制备
How do you build nanometer-sized objects? Top Down (Lithography)
Bottom Up (Self-Assembly)
Why moving into nanoworld A. Intellectual drive
•Miniaturization is of interest Less space, faster, less materials, less energy •More important: Novel properties/phenomena/process -New structure and functions; Engineering beyond nature Unity and generality -At the building blocks of all natural/artificial things, systems Most efficient length scale for manufacturing -Less energy than for subatomic or macroscopic Transcendent effects: at the confluence of steams -Living/non-living; interdisciplinary; Relevance areas
Sustainability: agriculture, water,energy( -45B/y in 10 years)materials,environment,exiting lighting energy reduction –10% or $100B/Y
Powerful Microscopes
C. 溶胶凝胶法sol-gel 采用无机盐或金属有机化合物，如醇盐
为前驱物，前驱物在水中水解（或者在其 他溶剂中溶剂解），反应生成物聚集形成 溶胶。然后经蒸发干燥从溶胶转变为凝胶。
典型的软化学合成。
如: 正硅酸乙酯
Putting It All Together (beyond molecules)