1、納米材料技術及其應用The Small World2012年年5月月27日日納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用910納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用納米材料的納米材料的基本性質基本性質 1 1、 小尺寸效應：當顆粒尺寸減小到納米量級時，小尺寸效應：當顆粒尺寸減小到納米量級時，一定條件下導致材料宏觀物理、化學性質發生一定條件下導致材料宏觀物理、化學性質發生顯著地顯著地變化。變化。例如，例如，由于比表面積大大增加，使納米材料具由于比表面積大大增加，使納米材料具有極強的吸附能力有極強的吸

2、附能力；光吸收顯著增強；納米陶瓷可以光吸收顯著增強；納米陶瓷可以被彎曲，其塑性變形可達被彎曲，其塑性變形可達100%100%；納米微粒的熔點低；納米微粒的熔點低于塊狀金屬，如塊狀金熔點為于塊狀金屬，如塊狀金熔點為1337K1337K，而，而2nm2nm的金的金微粒的熔點只有微粒的熔點只有600K600K。納米材料技術及其應用“小尺寸效應小尺寸效應”舉例舉例特殊的光學性質特殊的光學性質：所有的金屬在納米顆粒狀態都呈為黑色。尺越小，顏所有的金屬在納米顆粒狀態都呈為黑色。尺越小，顏色愈黑，黃金（色愈黑，黃金（AuAu）變成黑金，變成黑金，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變銀白色的鉑（白金）變成鉑黑

3、，金屬鉻變成鉻黑。成鉻黑。特殊的電學性質特殊的電學性質：介電和壓電特性是材料的基本物性之一。納米半導體介電和壓電特性是材料的基本物性之一。納米半導體的介電行為（介電常數、介電損耗）及壓電特性同常規的半導體材料有和的介電行為（介電常數、介電損耗）及壓電特性同常規的半導體材料有和很大的不同。很大的不同。特殊的磁性特殊的磁性：小尺寸超微顆粒的磁性比大塊材料強許多倍，大塊的純鐵小尺寸超微顆粒的磁性比大塊材料強許多倍，大塊的純鐵矯頑力約為矯頑力約為80A/m80A/m，而當顆粒尺寸見效到，而當顆粒尺寸見效到20nm20nm以下時，其矯頑力可增加以下時，其矯頑力可增加10001000倍，若進一步見效其尺寸

4、，大約小于倍，若進一步見效其尺寸，大約小于6nm6nm時，其矯頑力反而降低到時，其矯頑力反而降低到零，表現出所謂超順磁性零，表現出所謂超順磁性。 納米材料技術及其應用“小尺寸效應小尺寸效應”舉例舉例特殊的熱學性質特殊的熱學性質：當人們足夠地減少組成相的尺寸的時候，當人們足夠地減少組成相的尺寸的時候，由于在限制的原子系統中的各種彈性和熱力學參數的變化，平由于在限制的原子系統中的各種彈性和熱力學參數的變化，平衡相的關系將被改變。固體物質在粗晶粒尺寸時，有其固定的衡相的關系將被改變。固體物質在粗晶粒尺寸時，有其固定的熔點，超細微化后，卻發現其熔點顯著降低，當顆粒小于熔點，超細微化后，卻發現其熔點顯著

5、降低，當顆粒小于10nm10nm時尤為顯著。時尤為顯著。特殊的力學性質特殊的力學性質：如：如納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，這是納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，這是因為納米微粒制成的固體材料具有大的界面，界面原子的排列因為納米微粒制成的固體材料具有大的界面，界面原子的排列相當混亂。原子在外力變形條件下容易遷移，因此表現出很好相當混亂。原子在外力變形條件下容易遷移，因此表現出很好的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性能。這的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性能。這就是目前的一些展銷會上推出的所謂就是目前的一些展銷會上推出的所謂“摔不碎的陶瓷碗摔不碎的陶瓷碗”。納米材料技術及其應

6、用納米材料的納米材料的基本性質基本性質 2 2、 表面效應：表面效應：物質的尺寸減小到納米級時，將引物質的尺寸減小到納米級時，將引起物質表面原子數、表面積、表面能的迅速增加，從起物質表面原子數、表面積、表面能的迅速增加，從而引起物質的化學活性、物理性質（光熱電磁力）的而引起物質的化學活性、物理性質（光熱電磁力）的明顯變化。明顯變化。例如，例如，5nm5nm的粒子，表面原子占的粒子，表面原子占50%50%；而而2nm2nm的粒子，表面原子占的粒子，表面原子占80%80%。 表面原子增加，表面原子增加，因其周圍缺少相鄰的原子而有因其周圍缺少相鄰的原子而有許多懸空不飽和鍵，這許多懸空不飽和鍵，這使使

7、納米材料的納米材料的表面能增高，表面能增高，從從而而大大增強了納米粒子的化學活性，使其在催化、吸大大增強了納米粒子的化學活性，使其在催化、吸附等方面具有常規材料無法比擬的優越性。附等方面具有常規材料無法比擬的優越性。納米材料技術及其應用納米材料的納米材料的基本性質基本性質 3 3、 量子尺寸效應：隨著粒子由宏觀尺寸進入納米量子尺寸效應：隨著粒子由宏觀尺寸進入納米范圍，準連續能帶將分裂為分立的能級，能級間的距范圍，準連續能帶將分裂為分立的能級，能級間的距離隨粒子尺寸減小而增大，這種能級能隙變寬的現象離隨粒子尺寸減小而增大，這種能級能隙變寬的現象稱為量子尺寸效應。這種量子尺寸效應導致納米粒子稱為量

8、子尺寸效應。這種量子尺寸效應導致納米粒子具有與宏觀物質截然不同的反常特性。具有與宏觀物質截然不同的反常特性。（禁帶加寬）（禁帶加寬） 例如，粒徑為例如，粒徑為20nm20nm的銀微粒在溫度為的銀微粒在溫度為1K1K時出時出現由導體變為絕緣體的現象。現由導體變為絕緣體的現象。納米材料技術及其應用納米材料的納米材料的基本性質基本性質 4 4、 宏觀宏觀量子隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的量子隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。能力稱為隧道效應。近年來，人們發現一些宏觀量，近年來，人們發現一些宏觀量，如如 納米粒子的磁化強度納米粒子的磁化強度、量子相干器件中的磁量子相干器件中的磁通量等

9、也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢通量等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘而產生變化，壘而產生變化，這這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。掃描隧道顯微鏡的基本原理就是基于量子隧道效應。掃描隧道顯微鏡的基本原理就是基于量子隧道效應應. . 宏觀量子隧道效應宏觀量子隧道效應和和量子尺寸效應將會是未來微量子尺寸效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎電子、光電子器件的基礎。它們確定了微電子器件進。它們確定了微電子器件進一步微型化的極限一步微型化的極限。納米材料技術及其應用納米材料的納米材料的基本性質基本性質 5 5、 庫侖阻塞庫侖阻塞效應：效應：當微粒的尺寸

10、達到納米級時，當微粒的尺寸達到納米級時，這個體系的充電和放點是不連續（量子化）的這個體系的充電和放點是不連續（量子化）的 。即即電流隨電壓不再成線性增加而是階梯式增加。此時充電流隨電壓不再成線性增加而是階梯式增加。此時充入一個電子所需的能量成為庫侖阻塞能，它是電子進入一個電子所需的能量成為庫侖阻塞能，它是電子進入和離開體系時前一個電子對后一個電子的庫侖排斥入和離開體系時前一個電子對后一個電子的庫侖排斥能，所以，對一個納米體系的充放電過程中，電子不能，所以，對一個納米體系的充放電過程中，電子不能連續的集體傳輸，而是一個個單電子的傳輸，這種能連續的集體傳輸，而是一個個單電子的傳輸，這種納米體系中電

11、子的單個輸運現象叫做庫侖阻塞納米體系中電子的單個輸運現象叫做庫侖阻塞效應效應。納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用1 1、碳納米管可以因碳管、碳納米管可以因碳管的直徑和其中石墨層的的直徑和其中石墨層的卷曲方式不同而呈現很卷曲方式不同而呈現很好的金屬導電性或半導好的金屬導電性或半導體性。體性。2 2、碳納米管具有良好的、碳納米管具有良好的微波吸收性能和抗氧化微波吸收性能和抗氧化性，可用作空中飛行器性，可用作空中飛行器的隱形材料。的隱形材料。3 3、碳納米管具有很高的、碳納米管具有很高的比面積，可用于催化劑比面積，可用于催化劑的載體。的載體。 納米材料技術及其應用納米材料技術及其應用納米材料技

12、術及其應用納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用在信息領域的應用 1 1、納米材料技術將使電子元件更小、更快、更低能、納米材料技術將使電子元件更小、更快、更低能耗，可以制造出存貯密度和運算速度比現在大耗，可以制造出存貯密度和運算速度比現在大3 3至至6 6個數量級的全頻道通訊工程和計算機器件。個數量級的全頻道通訊工程和計算機器件。2 2、納米信息材料主要包括以下三大類型：、納米信息材料主要包括以下三大類型：（1 1）納米電子材料（單電子晶體管、單電子存儲器、）納米電子材料（單電子晶體管、單電子存儲器、納米芯片、納米電腦）。納米芯片、納米電腦）。（2 2）納米光學材料（光子

13、晶體、光子儲存器、光電）納米光學材料（光子晶體、光子儲存器、光電腦）。腦）。（3 3）納米磁性材料（巨磁阻材料、磁記錄材料）。）納米磁性材料（巨磁阻材料、磁記錄材料）。 納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用在信息領域的應用3 3、納米電子材料：、納米電子材料：（1 1）單電子晶體管：該晶體若為金屬一般為）單電子晶體管：該晶體若為金屬一般為幾個納米，若為半導體一般為幾十個納米，它幾個納米，若為半導體一般為幾十個納米，它們充放電時，表現出電荷傳輸的量子化行為，們充放電時，表現出電荷傳輸的量子化行為，即電子不能集體傳輸，而是一個一個的單電子即電子不能集體傳輸，而是一個一個的單

14、電子傳輸（庫侖阻塞效應）。傳輸（庫侖阻塞效應）。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用在信息領域的應用3 3、納米電子材料：、納米電子材料：（2 2）單電子存儲器：利用庫侖阻塞效應）單電子存儲器：利用庫侖阻塞效應和庫侖振蕩可以控制納米顆粒中單電子的和庫侖振蕩可以控制納米顆粒中單電子的遷移和駐留，因此，可以庫侖阻塞效應來遷移和駐留，因此，可以庫侖阻塞效應來存儲二進制信息。可見，單電子存儲器很存儲二進制信息。可見，單電子存儲器很適合用作高密度儲存器。適合用作高密度儲存器。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用在信息領域的應用3 3、納米電子材料：、納米電

15、子材料：（3 3）納米芯片：芯片即集成電路塊，隨著集成電路）納米芯片：芯片即集成電路塊，隨著集成電路集成度的不斷提高，芯片中集成電路的條寬已經小到集成度的不斷提高，芯片中集成電路的條寬已經小到0.30.3微米以下，若再縮小，將受到一系列物理原理微米以下，若再縮小，將受到一系列物理原理（量子效應等）的限制。為了使電腦更加智能化、人（量子效應等）的限制。為了使電腦更加智能化、人性化，需要進一步提高芯片的集成度，這就必須突破性化，需要進一步提高芯片的集成度，這就必須突破芯片原有的設計原理，向納米芯片進軍。芯片原有的設計原理，向納米芯片進軍。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用

16、在信息領域的應用3 3、納米電子材料：、納米電子材料：（4 4）納米電腦：主要有量子計算機、超導電腦、化）納米電腦：主要有量子計算機、超導電腦、化學電腦、生物電腦、神經電腦。學電腦、生物電腦、神經電腦。 (i) (i)量子計算機使用量子信息原理制作的，它具有體積量子計算機使用量子信息原理制作的，它具有體積和功耗很小、運行速度奇快（采用量子并行計算）、和功耗很小、運行速度奇快（采用量子并行計算）、存儲能力大大提高、可破譯加密能力超凡等特性。存儲能力大大提高、可破譯加密能力超凡等特性。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用在信息領域的應用（4 4）納米電腦：）納米電腦： (i

17、i) (ii)超導電腦（日本電氣研究所已制成）：利用超導超導電腦（日本電氣研究所已制成）：利用超導隧道效應原理制成，它的耗電量只有傳統電腦的幾千隧道效應原理制成，它的耗電量只有傳統電腦的幾千分之一，而且比傳統電腦快分之一，而且比傳統電腦快1010倍。倍。(iii)(iii)化學電腦：采用碳基化學制品代替電子部件，它化學電腦：采用碳基化學制品代替電子部件，它是同時解決多個問題的。是同時解決多個問題的。 納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用在信息領域的應用（4 4）納米電腦：）納米電腦： (iv) (iv)生物電腦：利用蛋白質分子的開關作用制成生物生物電腦：利用蛋白質分子的

18、開關作用制成生物芯片，生物芯片傳遞信息時阻抗小、能耗低，而且具芯片，生物芯片傳遞信息時阻抗小、能耗低，而且具有生物自我組織和自我修復的功能。若把它植入人腦，有生物自我組織和自我修復的功能。若把它植入人腦，可使盲人復明，使人的記憶力成千上萬倍地提高；若可使盲人復明，使人的記憶力成千上萬倍地提高；若植入血管中，可以監視人體內的化學變化，使人體體植入血管中，可以監視人體內的化學變化，使人體體質增強，使殘疾人從新站起來。質增強，使殘疾人從新站起來。 (v) (v)神經電腦：模仿人腦中神經元結構的工作模式。神經電腦：模仿人腦中神經元結構的工作模式。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的

19、應用在信息領域的應用4 4、納米光學材料：、納米光學材料：（1 1）光子晶體：在均勻光介質中引入折射率的周期）光子晶體：在均勻光介質中引入折射率的周期調制，該材料中就會出現帶隙效應，即對于一定頻率調制，該材料中就會出現帶隙效應，即對于一定頻率范圍的光波被禁止在材料中傳播，這種折射率的周期范圍的光波被禁止在材料中傳播，這種折射率的周期性變化晶格稱為光子晶體。性變化晶格稱為光子晶體。 光子晶體由于具有一個完整的光子禁帶和光子局光子晶體由于具有一個完整的光子禁帶和光子局域，使得它具有廣泛而重要的應用，如：高功率低損域，使得它具有廣泛而重要的應用，如：高功率低損耗反射鏡、光子晶體微諧振腔、光子選頻濾波

20、器等。耗反射鏡、光子晶體微諧振腔、光子選頻濾波器等。納米材料技術及其應用納米材料納米材料在信息領域的應用在信息領域的應用4 4、納米光學材料：、納米光學材料：（2 2）光子儲存器：光子存儲的基本原理是基于光子）光子儲存器：光子存儲的基本原理是基于光子同物質（記錄信息的介質）的直接相互作用。它的最同物質（記錄信息的介質）的直接相互作用。它的最大優點是：大優點是：（i i）超高的記錄速度（很容易達到納秒或皮秒量級）超高的記錄速度（很容易達到納秒或皮秒量級）（ii ii）超高的分辨率（在理論上達到分子水平）超高的分辨率（在理論上達到分子水平）（iiiiii）超高的存儲密度（儲存容量特大）超高的存儲密

21、度（儲存容量特大）納米材料技術及其應用納米材料納米材料在信息領域的應用在信息領域的應用4 4、納米光學材料：、納米光學材料：（3 3）光電腦：即光電腦，它是由激光器、透鏡、反射鏡等組）光電腦：即光電腦，它是由激光器、透鏡、反射鏡等組成的電腦。成的電腦。（i i）光電腦是依靠激光束進入透鏡和反射鏡組成的陳列來對）光電腦是依靠激光束進入透鏡和反射鏡組成的陳列來對信息進行處理的，其處理信息的速度可達現有半導體硅器件的信息進行處理的，其處理信息的速度可達現有半導體硅器件的10001000倍。倍。（ii ii）不同光束相交時可以互不影響地獨立傳播，這使得光電）不同光束相交時可以互不影響地獨立傳播，這使得

22、光電腦能夠在極小的空間內開辟很多平行的信息通道，如：一塊腦能夠在極小的空間內開辟很多平行的信息通道，如：一塊4 4平方厘米的通道空間，其容量超過全球現有電話電纜總和的許平方厘米的通道空間，其容量超過全球現有電話電纜總和的許多倍。多倍。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用在信息領域的應用5 5、納米磁性材料的磁特性：、納米磁性材料的磁特性：（1 1）超順磁性：納米顆粒的尺寸小到一定臨界值時）超順磁性：納米顆粒的尺寸小到一定臨界值時會進入超順磁狀態。如：四氧化三鐵粒徑達到會進入超順磁狀態。如：四氧化三鐵粒徑達到1616納納米時變成順磁體。米時變成順磁體。（2 2）高矯頑力：

23、納米顆粒的尺寸高于超順磁臨界尺）高矯頑力：納米顆粒的尺寸高于超順磁臨界尺寸時通常呈現高矯頑力。（剩磁性很強）寸時通常呈現高矯頑力。（剩磁性很強）（3 3）高磁化率：納米磁性金屬的磁導率是常規金屬）高磁化率：納米磁性金屬的磁導率是常規金屬的的2020倍。倍。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在信息領域的應用在信息領域的應用5 5、納米磁性材料的應用：、納米磁性材料的應用：（1 1）巨磁阻材料：它是指在一定的磁場下電阻急劇）巨磁阻材料：它是指在一定的磁場下電阻急劇減小的現象，減小的幅度比常用材料要高出減小的現象，減小的幅度比常用材料要高出1010倍。倍。 應用：巨磁阻效應的讀出磁頭（將磁

24、盤記錄密度應用：巨磁阻效應的讀出磁頭（將磁盤記錄密度提高了近提高了近2020倍）；微弱磁場探測器。倍）；微弱磁場探測器。（2 2）磁記錄材料：納米顆粒、納米薄膜可以是很好）磁記錄材料：納米顆粒、納米薄膜可以是很好的磁記錄材料。的磁記錄材料。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在航空航天領域的應用在航空航天領域的應用 主要講授：主要講授：1、納米涂層在航空航天材料中的應用、納米涂層在航空航天材料中的應用2、納米功能材料在航空航天領域中的應用、納米功能材料在航空航天領域中的應用3、納米材料技術在航空航天和軍事中的應用、納米材料技術在航空航天和軍事中的應用納米材料技術及其應用納米材料納米材料

25、技術技術在航空航天領域的應用在航空航天領域的應用1、納米涂層在航空航天材料中的應用、納米涂層在航空航天材料中的應用（1）納米防護涂層）納米防護涂層 它主要包括：金屬及合金納米涂層、陶瓷納米涂它主要包括：金屬及合金納米涂層、陶瓷納米涂層、塑料與高分子納米涂層。層、塑料與高分子納米涂層。 納米涂層可以提高基體的防護能力（防腐蝕、防納米涂層可以提高基體的防護能力（防腐蝕、防紫外線、防變色等），達到保護、修飾、殺菌、保潔紫外線、防變色等），達到保護、修飾、殺菌、保潔的目的。的目的。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在航空航天領域的應用在航空航天領域的應用1、納米涂層在航空航天材料中的應用、納

26、米涂層在航空航天材料中的應用（2）納米微波涂層）納米微波涂層 主要包括：微波透波納米涂層和微波吸收納米涂層。主要包括：微波透波納米涂層和微波吸收納米涂層。（i）微波透波納米涂層，是指對波長為）微波透波納米涂層，是指對波長為11000毫米、毫米、頻率為頻率為0.3500赫茲范圍的電磁波的透過率大于赫茲范圍的電磁波的透過率大于70%的材料，用于微波發射或接收裝置的天線或窗口的表的材料，用于微波發射或接收裝置的天線或窗口的表面涂層。面涂層。（ii）微波吸收納米涂層，起作用與微波透波納米涂）微波吸收納米涂層，起作用與微波透波納米涂層相反，用做飛機、潛艇等的層相反，用做飛機、潛艇等的“隱身衣隱身衣”。納

27、米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在航空航天領域的應用在航空航天領域的應用1、納米涂層在航空航天材料中的應用、納米涂層在航空航天材料中的應用（3）納米光學涂層：主要包括）納米光學涂層：主要包括（i）納米可見光涂層：包括對可見光的透射涂層、反射涂層。）納米可見光涂層：包括對可見光的透射涂層、反射涂層。 （ii）納米紅外線涂層：包括對紫外線透射涂層、反射涂層）。）納米紅外線涂層：包括對紫外線透射涂層、反射涂層）。 （iii）納米紫外線防護涂層）納米紫外線防護涂層 。（iv）納米隱身材料涂層：）納米隱身材料涂層：“隱身技術隱身技術”與與“激光激光”、“巡航巡航導彈導彈”并稱為當代軍事技術的三

28、大革命。并稱為當代軍事技術的三大革命。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在航空航天領域的應用在航空航天領域的應用2、納米功能材料在航空航天領域中的應用、納米功能材料在航空航天領域中的應用（1）納米傳感器材料：納米材料的比表面大、表面）納米傳感器材料：納米材料的比表面大、表面活性高，可廣泛用作傳感器材料。活性高，可廣泛用作傳感器材料。（i）氣體傳感器：是利用金屬氧化物的電阻隨周圍）氣體傳感器：是利用金屬氧化物的電阻隨周圍氣體組成的改變而變化，從而對氣體進行檢測和測定。氣體組成的改變而變化，從而對氣體進行檢測和測定。（ii）紅外線傳感器：即輻射熱量測量器，在戰場上）紅外線傳感器：即輻射熱

29、量測量器，在戰場上可以測出敵方人員、武器裝備等與背景之間的微弱溫可以測出敵方人員、武器裝備等與背景之間的微弱溫度差，從而確定軍情布置。度差，從而確定軍情布置。納米材料技術及其應用納米材料納米材料技術技術在航空航天領域的應用在航空航天領域的應用2、納米功能材料在航空航天領域中的應用、納米功能材料在航空航天領域中的應用（2）新型紅外納米陶瓷材料與新型納米玻璃材料：）新型紅外納米陶瓷材料與新型納米玻璃材料：（i）新型紅外納米陶瓷材料：它是能夠透過或者反）新型紅外納米陶瓷材料：它是能夠透過或者反射紅外輻射的多晶陶瓷材料，可用作紅外跟蹤裝置、射紅外輻射的多晶陶瓷材料，可用作紅外跟蹤裝置、紅外雷達、前視紅外系統（檢視敵情）。紅外雷達、前視紅外系統（檢視敵情）。（ii）新型納米玻璃材料）新型納米玻璃材料微晶納米玻璃：強度大，微晶納米玻璃：強度大，抗彎