纳米技术与纳米材料PPT课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
纳米技术
杨修春 同济大学材料学院
1
• 纳米：10-9米，是人头发直径万分之一。
• 纳米技术：是20世纪80年代末期刚刚诞 生并正在迅速崛起的用原子和分子创制 新物质的技术，是研究尺寸范围在1一 100nm之间的物质的组成，结构和性能 的技术。
• 纳米技术包括：纳米物理学、纳米化学、 纳米生物学和医学、纳米机械学、纳米 电子学、纳米材料学、纳米加工学和纳 米力学等 。
biological systems. 8
纳米技术的发展过程
• 1000多年前，中国古代利用燃烧蜡烛的 烟雾制成碳黑作为墨的原料以及用于着 色的染料，这就是最早的纳米材料；
• 中国古代铜镜表面的防锈层，经检验证 实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。
• 1861年，随着胶体化学(colloid chemistry) 的建立，科学家们开始研究1nm-100nm 的粒子系统。
10
• 1962年，日本物理学家久保亮武(R.Kubo) 在研究金属粒子理论中发现，由于超微 粒子中原子数目的减少，使得能带中能 级间距加大，变为不连续能级，这就是 著名的久保效应。
• 1963年，上田良二及其合作者发展了所 谓的气体蒸发-凝聚法(gas evaporationcondensation method)制备超微颗粒，第 一次提出超微颗粒概念。
• 特征： a top-down fabrication paradigm。
• lithography to define patterns on surfaces, etching to remove material, deposition to add material and thus allow complex structures to be made.
2
Dimensional scale
3
•第一次工业革命：18世纪中叶，以蒸 汽机为代表，毫米技术的应用；它使人 们从手工为主的时代跨进了以机械代替 人力的工业时代，结束了人类进化以来 最漫长的以体力劳动为标志的时代。
DB1达波1型 28号 。美国1907年生产
4
• 第二次工业革命：20世纪以微电子学 技术为代表，微米技术的应用。微米 技术使人类进入了计算机和通讯网络 的新时代，不仅缩短了人类的空间距 离，而且极大地促进了人类生产力的 发展。
5
• 第三次工业革命：纳米尺度介于宏观和 微观之间，人们对这一过渡区域的认知 还处于起步阶段，有大量的新现象、新 规律有待发现，充满了原始创新的机会， 是新技术发展的源头。
• 纳米科技不归属于任何一门传统的学科 领域，必须建立新的理论体系。
• 纳米技术有可能推动产品高性能化、微 型化、环境友好、节约能源、资源等方 面起到关键的作用。
6
• 信息产业：纳米器件将代替微电子器件， 芯片的设计和集成方法将改变；所有的 生产线均要进行相应的调整，检测方法、 手段、标准都要变化。
• 生物医学产业：生物计算机，新药。 • 传统产业：染料、涂料、建材、纺织等
行业采用纳米技术，使性能有很大提高， 大大提高产品的市场份额。
7
• 美国IBM公司首席科学家Amstrong在 1991年曾说：“我相信纳米科技将在信 息时代的下一个阶段占中心地位，并发 挥革命的作用，正如微米科技从20世纪 70年代初以来所起的作用那样。”
13
美国纳米科技的研究进展
• 纳米研究计划：1991年4月将纳米技术 列入“国家关键技术”。2000年2月提 出“国家纳米技术计划”， 2001年1月 21日美国总统克林顿宣布了“纳米技 术倡议”，涉及国家自然科学基金会、 国防部、商务部、能源部等12个部门。
14
• 纳米科技研究开发经费从2001财年的 ４.22亿美元增至2004财年的８.49亿美 元。
16
• 纳米电子学、纳米光电子学和纳米磁 学：提高计算机运行速度并使芯片的 存储效率提高百万倍；使电子的存储 量增加到数千太比特，将单位表面积 的存储量提高１千倍；增加数百倍的 带宽改变通信方式。
9
• 1959年，美国著名物理学家、1965年诺 贝尔物理奖获得者Richard Feynman在当 年的美国物理学会年会的发言中曾对未 来的物理学作了一个精彩的预言：“如 果我们按自己的愿望一个一个地排列原 子，将会出现什么呢？这些物质将有什 么性质？这是十分有趣的问题。虽然我 现在不能精确地回答它，但我决不怀疑 当我们能在如此小的尺寸上进行操纵时， 将得到具有大量独特性质的物质。”
• 著名科学家钱学森也预言：“纳米科技 是21世纪发展的重点，会是一次技术革 命，而且还会是又一次产业革命。”
• 特征：Bottom-up self-assembly. Structures are
built up from aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱomic- or molecular-scale units
into larger and increasingly complex structures-
11
• 1974年，日本科学家Taniguchi最早使 用纳米技术一词描述精细机械加工。
• 70年代末，麻省理工学院K. Eric Drexler提倡纳米技术的研究。
• 70年代末80年代初，对纳米微粒结构、 形态和特性进行了比较系统的研究。 久保理论解释超微粒子某些特性方面 获得成功。
• 1981年，随着扫描隧道显微镜(STM)的 发明，大大推进了纳米技术的发展。
12
• 1984年原联邦德国萨尔大学格莱教授最 早用纳米微粒制备三维块状试样。用惰 性气体蒸发原位加压法制备了具有清洁 界面纳米晶体钯、铜、铁等。
• 1987午，美国阿贡实验室Siegel用相同 方法制备出钠米氧化钛多晶体。
• 1990年7月，第一届国际纳米科学技术 会议在美国巴尔的摩召开，标志纳米科 学技术领域正式形成。
• 美国总统布什在白宫签署了《21世纪 纳米技术研究开发法案》，批准联邦 政府从2005财政年度开始的4年中共投 入约37亿美元，用于促进纳米技术的 研究开发。
15
主要研究内容
• “设计”组装更强、更轻、更硬并具有 自修复和安全性的纳米材料：10倍于 当前工业、运输和建筑用钢材强度的 碳和陶瓷结构材料；强度３倍于目前 遇100摄氏度高温就融化的汽车工业用 材料的聚合物材料、多功能智能材料。
杨修春 同济大学材料学院
1
• 纳米：10-9米，是人头发直径万分之一。
• 纳米技术：是20世纪80年代末期刚刚诞 生并正在迅速崛起的用原子和分子创制 新物质的技术，是研究尺寸范围在1一 100nm之间的物质的组成，结构和性能 的技术。
• 纳米技术包括：纳米物理学、纳米化学、 纳米生物学和医学、纳米机械学、纳米 电子学、纳米材料学、纳米加工学和纳 米力学等 。
biological systems. 8
纳米技术的发展过程
• 1000多年前，中国古代利用燃烧蜡烛的 烟雾制成碳黑作为墨的原料以及用于着 色的染料，这就是最早的纳米材料；
• 中国古代铜镜表面的防锈层，经检验证 实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。
• 1861年，随着胶体化学(colloid chemistry) 的建立，科学家们开始研究1nm-100nm 的粒子系统。
10
• 1962年，日本物理学家久保亮武(R.Kubo) 在研究金属粒子理论中发现，由于超微 粒子中原子数目的减少，使得能带中能 级间距加大，变为不连续能级，这就是 著名的久保效应。
• 1963年，上田良二及其合作者发展了所 谓的气体蒸发-凝聚法(gas evaporationcondensation method)制备超微颗粒，第 一次提出超微颗粒概念。
• 特征： a top-down fabrication paradigm。
• lithography to define patterns on surfaces, etching to remove material, deposition to add material and thus allow complex structures to be made.
2
Dimensional scale
3
•第一次工业革命：18世纪中叶，以蒸 汽机为代表，毫米技术的应用；它使人 们从手工为主的时代跨进了以机械代替 人力的工业时代，结束了人类进化以来 最漫长的以体力劳动为标志的时代。
DB1达波1型 28号 。美国1907年生产
4
• 第二次工业革命：20世纪以微电子学 技术为代表，微米技术的应用。微米 技术使人类进入了计算机和通讯网络 的新时代，不仅缩短了人类的空间距 离，而且极大地促进了人类生产力的 发展。
5
• 第三次工业革命：纳米尺度介于宏观和 微观之间，人们对这一过渡区域的认知 还处于起步阶段，有大量的新现象、新 规律有待发现，充满了原始创新的机会， 是新技术发展的源头。
• 纳米科技不归属于任何一门传统的学科 领域，必须建立新的理论体系。
• 纳米技术有可能推动产品高性能化、微 型化、环境友好、节约能源、资源等方 面起到关键的作用。
6
• 信息产业：纳米器件将代替微电子器件， 芯片的设计和集成方法将改变；所有的 生产线均要进行相应的调整，检测方法、 手段、标准都要变化。
• 生物医学产业：生物计算机，新药。 • 传统产业：染料、涂料、建材、纺织等
行业采用纳米技术，使性能有很大提高， 大大提高产品的市场份额。
7
• 美国IBM公司首席科学家Amstrong在 1991年曾说：“我相信纳米科技将在信 息时代的下一个阶段占中心地位，并发 挥革命的作用，正如微米科技从20世纪 70年代初以来所起的作用那样。”
13
美国纳米科技的研究进展
• 纳米研究计划：1991年4月将纳米技术 列入“国家关键技术”。2000年2月提 出“国家纳米技术计划”， 2001年1月 21日美国总统克林顿宣布了“纳米技 术倡议”，涉及国家自然科学基金会、 国防部、商务部、能源部等12个部门。
14
• 纳米科技研究开发经费从2001财年的 ４.22亿美元增至2004财年的８.49亿美 元。
16
• 纳米电子学、纳米光电子学和纳米磁 学：提高计算机运行速度并使芯片的 存储效率提高百万倍；使电子的存储 量增加到数千太比特，将单位表面积 的存储量提高１千倍；增加数百倍的 带宽改变通信方式。
9
• 1959年，美国著名物理学家、1965年诺 贝尔物理奖获得者Richard Feynman在当 年的美国物理学会年会的发言中曾对未 来的物理学作了一个精彩的预言：“如 果我们按自己的愿望一个一个地排列原 子，将会出现什么呢？这些物质将有什 么性质？这是十分有趣的问题。虽然我 现在不能精确地回答它，但我决不怀疑 当我们能在如此小的尺寸上进行操纵时， 将得到具有大量独特性质的物质。”
• 著名科学家钱学森也预言：“纳米科技 是21世纪发展的重点，会是一次技术革 命，而且还会是又一次产业革命。”
• 特征：Bottom-up self-assembly. Structures are
built up from aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱomic- or molecular-scale units
into larger and increasingly complex structures-
11
• 1974年，日本科学家Taniguchi最早使 用纳米技术一词描述精细机械加工。
• 70年代末，麻省理工学院K. Eric Drexler提倡纳米技术的研究。
• 70年代末80年代初，对纳米微粒结构、 形态和特性进行了比较系统的研究。 久保理论解释超微粒子某些特性方面 获得成功。
• 1981年，随着扫描隧道显微镜(STM)的 发明，大大推进了纳米技术的发展。
12
• 1984年原联邦德国萨尔大学格莱教授最 早用纳米微粒制备三维块状试样。用惰 性气体蒸发原位加压法制备了具有清洁 界面纳米晶体钯、铜、铁等。
• 1987午，美国阿贡实验室Siegel用相同 方法制备出钠米氧化钛多晶体。
• 1990年7月，第一届国际纳米科学技术 会议在美国巴尔的摩召开，标志纳米科 学技术领域正式形成。
• 美国总统布什在白宫签署了《21世纪 纳米技术研究开发法案》，批准联邦 政府从2005财政年度开始的4年中共投 入约37亿美元，用于促进纳米技术的 研究开发。
15
主要研究内容
• “设计”组装更强、更轻、更硬并具有 自修复和安全性的纳米材料：10倍于 当前工业、运输和建筑用钢材强度的 碳和陶瓷结构材料；强度３倍于目前 遇100摄氏度高温就融化的汽车工业用 材料的聚合物材料、多功能智能材料。